Caracterización fisiológicas y molecular de plantas de Nicotina tabacum que expresan el gen Lcyb1 de Daucus carota

Abstract

Los carotenoides son compuestos presentes en todas las plantas y algunas bacterias, hongos y algas. En plantas estos se localizan en plastidios y poseen un rol crítico en los complejos cosechadores de luz, fotoprotección y biosíntesis de fitohormonas. También, han sido reconocidos como nutrientes necesarios en la dieta humana debido a que son precursores de la vitamina A y poseen un alto poder antioxidante. Los carotenoides son sintetizados a partir de geranil-geranil-pirofosfato (GGPP), precursor metabólico utilizado también para la biosíntesis de clorofilas y giberelinas. Uno de los puntos clave en la ruta de síntesis de carotenoides es la síntesis de B-caroteno a partir de licopeno, reacción catalizada por la enzima licopeno ẞ-ciclasa (LCYB). En D. carota (zanahoria) se han descrito dos genes parálogos (Lcyb1 y Lcyb2) que codifican esta enzima, de los cuales Lcyb1 participa en la síntesis de carotenoides en todos los tejidos de la planta, a pesar de su expresión preferencial en hojas. En este trabajo se muestra que la expresión heteróloga del gen Lcyb1 de D. carota (DcLcyb1) en N. tabacum provoca un aumento de aproximadamente 2 veces en el contenido total de carotenoides, B-caroteno y clorofilas. En conjunto con este aumento se observó un aumento de la eficiencia fotosintética en todas las líneas transgénicas analizadas. Por otro lado, y contrario a reportes anteriores, la expresión de DcLcyb1 produjo un aumento en el contenido de la giberelina GA4. El aumento de esta giberelina bioactiva se correlacionó con un aumento en la altura, área foliar, biomasa y un adelanto en la floración de las líneas transgénicas. A nivel molecular, se encontró que la expresión del gen DcLcyb1 aumentó significativamente la expresión de genes endógenos claves de la ruta de sintesis de carotenoides (Psy1, Psy2 y Lcyb), clorofilas (Chl) y giberelinas (Cps y Ks). Interesantemente, también se observó una inducción de genes involucrados en la síntesis de precursores metabólicos comunes a estas tres rutas (Dxs2 y Ggps). Todos estos antecedentes sugieren que la expresión heteróloga de gen DcLcyb1 en N. tabacит genera una retroalimentación positiva que afecta la expresión de genes involucrados en la síntesis de precursores isoprenoides y en la síntesis de carotenoides, clorofilas у giberelinas, lo que se traduce finalmente en un incremento de parámetros asociados al crecimiento (vegetativo y reproductivo), eficiencia fotosintética y composición de pigmentos (clorofila y carotenoides).

Carotenoids are compounds present in plants, some bacteria, fungi, and algae. Plant carotenoids are located in plastids, playing a critical role in light harvesting, photoprotection and phytohormones biosynthesis. Also, these pigments have been recognized as necessary nutrients, acting as vitamin-A precursors and antioxidants in humans. Carotenoids are synthesized from geranyl-geranyl pyrophosphate (GGPP), metabolic precursor which is also used for the biosynthesis of chlorophylls and gibberellins. One of the key points in the carotenoid pathway is the synthesis of Bcarotene from lycopene, a reaction catalyzed by the enzyme lycopene B-cyclase (LCYB). In D.carota (carrot) two paralog genes (Lcyb1 and Lcyb2) that encode this enzyme have been described In particular, Lcyb1 participates in carotenoid biosynthesis in all tissues of the plant despite its preferential expression in leaves. This work shows that the carrot Lcyb1 (DcLcyb1) heterologous gene expression in N.tabacum causes an increase of approximately 2-folds in total carotenoids, B-carotene and chlorophyll. Also increased photosynthetic efficiency was observed in all transgenic lines tested. Furthermore, and contrary to previous reports, DcLcyb1 expression resulted in a significant increase in the bioactive GA4 gibberellin content. This was correlated with an increase in height, leaf area, biomass and early flowering phenotype in transgenic lines. At the molecular level, DcLcyb1 expression significantly increased the endogenous expression of key carotenogenic genes (NtPsy1, NtPsy2 and NtLcyb), chlorophyll (NtChl) and gibberellins (NtCps and NtKs). Interestingly, induction of NtDxs2 and NtGgps, genes involved in the synthesis of the common metabolic precursor of these three routes, was also observed. All these results suggest that DcLcyb1 heterologous gene expression in N.tabacum generates a positive feedback that affects the expression of genes involved in isoprenoid precursors synthesis as well as in carotenoid, chlorophyll and gibberellin pathways, which finally results in an increase in parameters associated with vegetative and reproductive growth, photosynthetic efficiency and pigment composition (chlorophyll and carotenoids).