Proteínas desacopladoras mitocondriais e transportadores de dicarboxilatos em plantas: estudos funcionais e fisiológicos.

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Data

2021-12-07

Autores

Arcuri, Mariana de Lara Campos

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Editor

Universidade Estadual Paulista (Unesp)

Resumo

As proteínas desacopladoras mitocondriais (UCPs) e os carreadores de dicarboxilatos (DIC) pertencem à família dos transportadores mitocondriais cujas funções são determinantes na manutenção da homeostase mitocondrial. As UCPs estão presentes na membrana mitocondrial interna e atuam dissipando o gradiente eletroquímico de prótons produzido durante a respiração. As DICs, por sua vez, são responsáveis pelo influxo de dicarboxilatos através da membrana mitocondrial interna a expensas de fosfato inorgânico e elementos derivados de enxofre. Três genes codificadores de UCPs (AtUCP1-3) e três de DICs (AtDIC1-3) foram identificados no genoma de Arabidopsis thaliana. No presente estudo, a função in planta destes carreadores foi investigada. A caracterização de mutantes de inserção de T-DNA para os genes AtUCP1 e AtUCP2 revelou uma redução no número de folhas no mutante atucp2 e um claro comprometimento do desenvolvimento reprodutivo das linhagens mutantes. Corroborando tal observação, um drástico efeito nos níveis de expressão de fatores de transcrição associados ao desenvolvimento dos órgãos reprodutivos foi evidenciado nos mutantes. Adicionalmente, a atividade do gene repórter GUS sobre controle das regiões promotoras dos genes alvos se revelou intimamente associada aos órgãos reprodutivos. Análises de marcação de espécies reativas de oxigênio (EROS) e de expressão relativa de genes marcadores da função mitocondrial, incluindo a oxidase alternativa, demonstraram que a homeostase mitocondrial foi afetada nos mutantes atucp1-2 durante o desenvolvimento vegetativo e reprodutivo. Em paralelo, a caracterização de linhagens contendo inserções de T-DNA nos genes AtDIC1-3 revelou incrementos na área foliar e biomassa, aumento do acúmulo de EROs e alterações na germinação. Em contrapartida, a superexpressão do gene AtDIC2 promoveu um acometimento nos parâmetros fenotípicos supracitados com evidente redução no acumulo de biomassa quando comparado ao controle Col-0. Do ponto de vista fisiológico, a capacidade fotossintética revelou-se elevada nos referidos mutantes, fato evidenciado pelas altas taxas de assimilação de carbono e capacidade de re-oxidação da clorofila. Uma possível expressão compensatória do gene AtDIC2 foi observada nos mutantes atdic1 e atdic3. Análises do perfil metabólico de tais mutantes indicaram um maior acúmulo de carboidratos (37,6%), lipídeos (13,4%), ácidos orgânicos (11,8%) e aminoácidos (10,5%). Rotas de resposta aos estresses oxidativo e hídrico, como as vias do metabolismo de ascorbato e da prolina, respectivamente, também se mostraram alteradas. Uma alteração significativa no metabolismo de fenilalanina que, entre outros processos, está relacionada com a resposta aos estresses mecânico e biótico também foi constatada. Quando analisada de forma integrada com os níveis de chiquimato, esses dados sugerem uma alteração no ponto de convergência entre os metabolismos primário e secundário.
Mitochondrial uncoupling proteins (UCPs) and dicarboxylate carriers (DIC) are proteins belonging to the mitochondrial carriers family (MCF) that play a crucial role in the maintenance of mitochondrial homeostasis. The mitochondrial uncoupling proteins (UCPs) are present in the inner mitochondrial membrane, where they dissipate the electrochemical gradient of protons produced during respiration. DICs, in turn, promote the influx of dicarboxylates across the inner mitochondrial membrane at expenses of inorganic phosphate and sulfur-derived elements. Three genes encoding UCPs (AtUCP1-3) and three encoding DICs (AtDIC1-3) were identified in the genome of Arabidopsis thaliana. In this study, the function of these genes was investigated in planta. The characterization of T-DNA insertion mutants for the AtUCP1 and AtUCP2 genes revealed a reduction in the number of leaves in the atucp2 mutant as well as an impairment of reproductive development in both atucp1 and atucp2 mutant lines. In agreement, the mutant lines exhibited a drastic effect on the expression levels of transcription factors associated with the development of reproductive organs. Additionally, the activity of the GUS reporter gene under control of the AtUCP1 and AtUCP2 promoter regions suggested a close association between these isoforms and the reproductive development. Analyzes of reactive oxygen species (ROS) labeling and relative expression of mitochondrial function marker genes, including alternative oxidase, demonstrated that mitochondrial homeostasis was affected in atucp1-2 mutants during vegetative and reproductive development. In parallel, the characterization of strains containing T-DNA insertions in AtDIC1-3 genes revealed a significant increase in leaf area and biomass, higher accumulation of ROS and also alterations in seed germination in the mutants. By contrast, the AtDIC2 overexpression lines exhibited an impairment on the phenotypic parameters showing a clear reduction in biomass accumulation when compared to Col-0. At physiological level, the mutant lines presented high rates of carbon assimilation and the re-oxidation capacity of chlorophyll thus, suggesting an improvement in the photosynthetic capacity of these mutants. A possible compensatory expression of the AtDIC2 was observed in the atdic1 and atdic3 mutants. Analyzes of the metabolic profile of such mutants indicated a greater accumulation of carbohydrates (37.6%), lipids (13.4%), organic acids (11.8%) and amino acids (10.5%). Analyzes of the metabolic profiles of such mutants revealed that pathways responsive to oxidative and hydric stresses, such as the arcorbate and proline pathways, respectively, were altered. A significant alteration in the metabolism of phenylalanine that, among other processes, is related to the plant’s response to mechanical and biotic stresses was also observed. When observed in an integrated way with the shikimate levels, this data suggests an alteration in the convergence point between primary and secondary metabolisms.

Descrição

Palavras-chave

Proteínas desacopladoras, Carreadores de dicarboxilato, Caracterização molecular, Expressão relativa, Homeostase mitocondrial, Uncoupling proteins, Dicarboxylate carriers, Molecular characterization, Relative expression, Mitochondrial homeostasis

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