Perfil transcricional comparativo de folha e raiz de Monteverdia ilicifolia para a biossíntese de terpenos

Abstract

As plantas produzem uma grande diversidade de compostos denominados metabólitos secundários (MS), importantes para a sua sobrevivência. Evolutivamente, originam-se como resposta ecológica a competição, defesa ou sinalização e sua biossíntese é um processo altamente regulado por enzimas específicas. Devido ao seu amplo espectro de bioatividades, os MS apresentam aplicações medicinais, mas, como a síntese química não é economicamente viável, a extração das plantas é única opção. Diferentes estratégias biotecnológicas são aplicadas para melhorar o rendimento da bioprodução desses compostos, no entanto, este processo limitado é pelo pouco conhecimento sobre vias biossintéticas e regulatórias. A espécie Maytenus ilicifolia, atualmente, Monteverdia ilicifolia, uma planta medicinal tradicional, é brasileira e pertence à família Celastraceae. Conhecida como "espinheira santa", apresenta três classes principais de MS: sesquiterpênicos, flavonóides e quinonametídeos, que são produzindo tanto em folhas como raízes. O objetivo deste trabalho foi identificar os genes responsáveis pela biossíntese dos MS de M. ilicifolia e fatores de regulação destas rotas, pelo sequenciamento de novo do transcriptoma desta espécie. Quatro bibliotecas de cDNA foram preparadas a partir de folhas e raízes. O transcriptoma de novo incluiu 109.982 sequências que capturou 92% dos ortólogos da base “BUSCO”. Os transcritos apresentaram um comprimento médio de 737pb e um conteúdo GC de aproximadamente 42%. As análises de anotação funcional identificaram homologia para 44,8% dos transcritos. Em termos de expressão comparativa, 67.625 sequencias foram expressas em ambos os órgãos, mas 1.044 e 1.717 sequências foram diferencialmente expressas na raiz e na folha, respectivamente. Quanto aos MS, genes codificadores para enzimas envolvidas na biossíntese de monoterpenos, isoflavonoides foram identificadas nas raízes e para as folhas, biossíntese de flavanoides e biossíntese de alcaloides. Em termos de regulação das vias, 191 transcritos foram anotados como fatores de transcrição, sendo 12 diferencialmente nas folhas e três nas raízes. Foram identificadas enzimas envolvidas na biossíntese de terpenos, incluindo as vias do mevalonato (8) e do metileritritol-fosfato (9). Adicionalmente, 126 transcritos foram atribuídos como codificadores para enzimas CYP450. Por fim, a escolha da raiz e da folha para a análise comparativa do transcriptoma facilitou a identificação dos genes envolvidos na biossíntese de MS, uma abordagem amplamente utilizada em plantas.

Plants produce a wide variety of compounds called secondary metabolites (SMs), which are extremely important for their survival. SMs have also medicinal applications, but as chemical synthesis is not economically viable, plant extraction is the mainly option. Different biotechnology strategies are applied to improve the yield of bioproduction of these compounds, but commonly without the desired results due the limited knowledge of biosynthetic and regulatory pathways. Maytenus ilicifolia, a traditional Brazilian medicinal plant from Celastraceae family, produces in both root and leaves three main classes of SMs: sesquiterpenics, flavonoids and quinonemethides. In this study, four cDNA libraries were prepared from root and leaf tissues. The de novo transcriptome included 109,982 sequences that capture 92% of BUSCO orthologs, presented an average length of 737bp and a GC content about 42% of. Function annotation analysis identified homology for 44.8% of the transcripts. Moreover, 67,625 sequences were commonly expressed in both tissues, while 1,044 and 1,171 were differentially expressed in root and leaf, respectively. In terms of SM, enzymes involved in “monoterpenoid biosynthesis” and “isoflavonoid biosynthesis" were identified in root while “flavonoid biosynthesis” and “Biosynthesis of alkaloids” in leaf. In terms of pathway regulation, 191 transcripts were annotated as transcription factors, with 12 differentially in leaves and three in roots. Enzymes involved in terpene biosynthesis were identified, including the mevalonate (8) and methylerythritol-phosphate (9) pathways. Additionally, 126 transcripts were assigned as coding for CYP450 enzymes. Finally, the choice of root and leaf for comparative transcriptome analysis facilitated the identification of genes involved in MS biosynthesis, an approach widely used in plants.