Estudio del metabolismo del sorbitol en Arabidopsis thaliana

Abstract

En la mayoría de las especies del Reino Vegetal, el principal fotosintato es la sacarosa, la cual se transloca a través del floema desde órganos fuentes a sumideros. Sin embargo, en la familia de las Rosáceas, es el poliol sorbitol el azúcar de mayor abundancia. La presencia de polioles en éstas y otras familias se ha relacionado con diversas ventajas, relacionadas mayoritariamente a la tolerancia de estas plantas a soportar estrés de tipo abiótico, como frío, sequía, salinidad, etc. Por este motivo diversos grupos de investigación han manipulado plantas que no acumulan polioles a que los sinteticen por medio de ingeniería genética, como en tabaco, caqui y trigo. En estas 3 especies vegetales, la acumulación de polioles como sorbitol o manitol ha proporcionado una mayor protección frente a estrés salino, en comparación a sus contrapartes no acumuladoras. Sin embargo, en todos estos casos se produjo una alteración de los niveles de azúcares solubles (sacarosa, glucosa y fructosa), y además un efecto dañino en el crecimiento de algunas líneas transformantes, como enanismo y diversos tipos de lesiones, lo que se relaciona a una alta acumulación del poliol y la incapacidad de degradarlo. Arabidopsis thaliana cuenta con las enzimas necesarias para la síntesis (aldosa-6-fosfato reductasa, A6PR) y degradación del sorbitol (sorbitol deshidrogenasa, SDH) de forma natural. No se han reportado altas concentraciones de este poliol en la planta, y su principal fotosintato es la sacarosa, lo que hace interesante estudiar el efecto de una acumulación de sorbitol en este organismo por medio de la sobre-acumulación de una A6PR. Con este propósito, se transformaron Arabidopsis silvestres y mutantes en el gen AtSDH (sdh-), con las secuencias codificantes de A6PR provenientes de manzano (Rosácea) y Arabidopsis, de manera de asegurar una acumulación de A6PR en las lineas obtenidas y evaluar los cambios en las concentraciones de azúcares y su impacto en el desarrollo de las plantas. Se obtuvieron diversos comportamientos entre las líneas; en algunos casos se detectó la presencia de A6PR exógena y endógena y en otros no, y se detectó diferencias en la acumulación de la proteina SDH endógeno, utilizando un antisuero policlonal desarrollado en esta tesis. Sin embargo, en las líneas donde se detectó una alta presencia de la proteína, se evidenció un retraso del crecimiento respecto a las plantas transformadas con el vector sin inserto. Estos resultados se correlacionan, pero no explican completamente, con una disminución significativa de los niveles de sacarosa. Estudios posteriores evaluando las concentraciones de sorbitol, almidón, myo-inositol y otros metabolitos permitirán dilucidar más profundamente el efecto de la sobreacumulación de la enzima A6PR en Arabidopsis.

In most species of the Plant Kingdom, the primary photosynthate is sucrose, which is translocated through the phloem from source to sink organs. However, in the Rosaceae family, which includes many varieties of fruits of economic importance, the polyol sorbitol is the most abundant sugar. The presence of polyols in these and other related families has various advantages, mainly related to the tolerance of the plants to abiotic stress, such as cold, drought, salinity, etc. For this reason, different research groups have engineered plants to synthesise and accumulate polyols using genetic engineering, such as tobacco, persimmon and wheat. In these three species, accumulation of polyols such as sorbitol or mannitol provided greater protection against salt stress, compared to their non accumulating counterparts. However, in all these cases there was also a change in the levels of soluble sugars (sucrose, glucose and fructose), and also a harmful effect on the growth of some of the transformant lines, such as dwarfism and various types of lesions, which is related to a high accumulation of the polyol and the inability to degrade it. Arabidopsis thaliana has the enzymes necessary for the synthesis (aldose-6-phosphate reductase, A6PR) and degradation of sorbitol (sorbitol dehydrogenase, SDH) naturally. High concentrations of this polyol in this species have not been reported, and its main photosynthate is sucrose, which makes it interesting to study the effect of an accumulation of sorbitol in the plant through the over-expression of an A6PR enzyme. For this purpose, wild-type and Arabidopsis mutants in the AtSDH gene (sdh-) were transformed with the coding sequences of A6PR from apple (Rosaceae) and Arabidopsis, in order to ensure an accumulation of A6PR and to evaluate the changes in the concentrations of sugars and their impact on plant development. Different behaviors between the lines were obtained; exogenous and endogenous A6PR accumulation was detected in some, but not all plants, and differences were detected in the accumulation of endogenous SDH, using a polyclonal antisera generated in this thesis. However, in lines where high presence of the protein was detected, a delay in growth relative to control plants transformed with the empty vector, was evident. These results are correlated, but do not completely explain, a significant decrease in the levels of sucrose. Subsequent studies evaluating concentrations of sorbitol, starch, myo-inositol and other metabolites will enable us to fully elucidate the effect of the over-accumulation of the A6PR enzyme in Arabidopsis.