Análisis molecular y funcional del gen FRS8 de Daucus carota en la planta modelo Nicotiana tabacum

Abstract

Cuando las plantas perciben la luz, se desencadena el programa fotomorfogénico, este se caracteriza por la inhibición del alargamiento del hipocótilo, la apertura de cotiledones y la síntesis de clorofilas y carotenoides. El fitocromo A (PHYA) es un fotorreceptor que promueve la fotomorfogénesis. Los factores de transcripción FHY3 y FAR1 activan la expresión de FHY1 y FHL, las que son chaperonas que traslocan a PHYA activo al núcleo para ejercer su función. Durante fotomorfogénesis se induce la expresión del gen PSY, clave en la síntesis de carotenoides, pigmentos con funciones esenciales en plantas y animales. Daucus carota (zanahoria) a diferencia de otras plantas, acumula grandes cantidades de carotenoides en su raíz que crece bajo tierra. Cuando estas se exponen a la luz, se observa una disminución del contenido de carotenoides y se detiene el engrosamiento de la raíz. Para abordar las bases moleculares de este mecanismo, un análisis de RNAseq reveló que genes que son regulados por luz en otras especies, se encuentran sobrerrepresentados en la raíz crecida en oscuridad. Entre ellos se encontró el gen DcFRS8, miembro la familia FRS de factores de transcripción, la cual es crucial en el crecimiento, desarrollo y transducción de señales de luz en las plantas. La familia FRS, incluyendo a FHY3 y FAR1, consta de 14 miembros en Arabidopsis. En particular, el conocimiento de AtFRS8 es limitado, sabemos que presenta localización nuclear y que su silenciamiento provoca un atraso en la floración. Este estudio busca comprender el rol de DcFRS8 en el desarrollo morfológico, vegetativo y de floración y en la síntesis de carotenoides. Se determinó mediante transformación transitoria de hojas de Nicotiana tabacum (tabaco) que DcFRS8 posee localización nuclear. Además, se seleccionaron plantas de N. tabacum T1 que expresan el transgén, las cuales presentaron menor largo de internodos y grosor que las plantas control, además de un atraso en la floración. El análisis de expresión génica reveló que el gen afecta la expresión de FHY1 y FHL. Se observó un aumento en la expresión de FHY1, mientras que la expresión de FHL disminuyó. Este hallazgo, en conjunto con el fenotipo encontrado sugiere que DcFRS8 participa en la fotomorfogénesis. Sin embargo, los niveles de expresión de los genes PSY1 y PSY2 no se vieron alterados, lo cual se correlaciona con el contenido de carotenoides, que tampoco se ve alterado. En un trabajo complementario al tema principal del seminario de título, se determinó que el silenciamiento del gen en zanahoria condujo a una disminución del contenido de carotenoides, sugiriendo su participación en la regulación de la síntesis de carotenoides. Estos resultados aportan nuevas perspectivas sobre las funciones diferenciales de FRS8 en el desarrollo de las plantas y permiten asociar por primera vez al gen con la síntesis de carotenoides en plantas.

When plants perceive light, the photomorphogenic program is initiated, characterized by the inhibition of hypocotyl elongation, cotyledon opening, and the synthesis of chlorophylls and carotenoids. Phytochrome A (PHYA), a crucial photoreceptor, plays a pivotal role in promoting photomorphogenesis. The transcription factors FHY3 and FAR1 activate the expression of FHY1 and FHL, acting as chaperones that translocate active PHYA to the nucleus to execute its functions. During photomorphogenesis, the induction of the PSY gene occurs, which is pivotal in the synthesis of carotenoids, pigments with essential functions in both plants and animals. Daucus carota (carrot), unlike other plants, accumulates significant amounts of carotenoids in its underground-growing roots. Upon exposure to light, a reduction in carotenoid content and cessation of root thickening are observed. To elucidate the molecular underpinnings of this mechanism, RNA-seq analysis revealed an overrepresentation of genes regulated by light in other species in dark-grown roots. Among these, the DcFRS8 gene was identified, a member of the FRS family of transcription factors crucial in plant growth, development, and light signal transduction. While the FRS family, including FHY3 and FAR1, comprises 14 members in Arabidopsis, knowledge about AtFRS8 is limited. Current understanding suggests nuclear localization and a role in flowering regulation upon silencing. This study aims to unravel the role of DcFRS8 in morphological, vegetative, and flowering development, as well as in carotenoid synthesis. Through transient transformation of Nicotiana tabacum (tobacco) leaves, it was determined that DcFRS8 exhibits nuclear localization. Additionally, T1 plants expressing the transgene displayed shorter internode length and thickness, along with delayed flowering compared to control plants. Gene expression analysis revealed that DcFRS8 influences the expression of FHY1 and FHL, implying its participation in photomorphogenesis. However, the expression levels of the PSY1 and PSY2 genes remained unaltered, correlating with unchanged carotenoid content. In work that complements the main topic of this thesis, gene silencing experiments in carrot resulted in decreased carotenoid content, suggesting the regulatory role of DcFRS8 in carotenoid synthesis. These findings provide novel insights into the diverse functions of FRS8 in plant development and, for the first time, associate the gene with carotenoid synthesis in plants.