Canalización de precursores hacia la biosíntesis de isoprenoides plastídicos en Arabidopsis thaliana

Abstract

Los isoprenoides constituyen la familia de metabolitos funcional y estructuralmente más diversa que se conoce. Se encuentran en todos los organismos aunque son especialmente abundantes y diversos en el reino vegetal, donde desempeñan papeles fundamentales en el metabolismo primario y secundario de las plantas. Derivan de un precursor común el isopentenil difosfato (IPP). La condensación de tres moléculas de IPP y una de su isómero dimetilalil difosfato (DMAPP) catalizada por la enzima geranilgeranil difosfato (GGPP) sintasa (GGPPS) genera GGPP, un compuesto precursor de isoprenoides plastídicos como carotenoides, giberelinas, plastoquinonas y la cadena fitol de clorofilas, tocoferoles y filoquinonas. El genoma de Arabidopsis thaliana presenta doce genes codificantes para proteínas con homología a GGPPS, de los cuales sólo diez codifican proteínas con actividad GGPP sintasa. Siete isoformas presentan localización plastídica, dos se encuentran en el retículo endoplasmático y una en la mitocondria. De los genes codificantes, sólo tres presentan un patrón de expresión ubicuo, mientras que el resto se expresan en tejidos y estadios de desarrollo muy concretos. Estos resultados sugieren que diferentes isoformas de GGPPS podrían estar asociadas a la formación de isoprenoides específicos. El primer objetivo de esta tesis fue investigar si en la célula vegetal existe una canalización de precursores (GGPP) hacia la síntesis de grupos concretos de isoprenoides, y en concreto hacia la síntesis de carotenoides. De las 10 isoformas de Arabidopsis, nuestra investigación se ha centrado en la isoforma GGPPS11 por ser la única plastídica de expresión ubicua, alta en tejidos fotosintéticos e inducible por luz, aspectos imprescindibles para estar relacionada con la síntesis de carotenoides.

El análisis de tres mutantes de inserción de T-DNA ha revelado que esta isoforma es esencial en la síntesis de isoprenoides y que no presenta redundancia génica con el resto de la familia. La pérdida total de función GGPPS11 es letal y las semillas homocigotas del alelo ggpps11-3 se abortan como consecuencia de un bloqueo en los primeros estadios del desarrollo embrionario. En el mutante ggpps11-2 el T-DNA está insertado en la secuencia codificante del péptido de tránsito a plastos. Hemos demostrado que se traduce una proteína más corta cuya actividad se ejerce fuera del plasto permitiendo el correcto desarrollo embrionario y dando lugar a plántulas albinas incapaces de desarrollar hojas verdaderas como consecuencia de la ausencia de isoprenoides plastídicos. Por último, el mutante ggpps11-4 de pérdida parcial de función presenta un fenotipo de plantas más pequeñas y pálidas con una reducción del 20% en los niveles de carotenoides, clorofilas, tocoferoles y plastoquinonas, lo que permite concluir que esta isoforma está involucrada en la síntesis de la mayoría de los isoprenoides plastídicos derivados del GGPP. Además hemos demostrado que GGPPS11 puede interaccionar con varias enzimas que transforman el GGPP en los primeros intermediarios de las rutas que producen estos isoprenoides plastídicos, las enzimas fitoeno sintasa (PSY) hacia carotenoides, geranilgeranil reductasa (GGR) hacia clorofilas y tocoferoles y solanesil difosfato sintasa (SPPS2) hacia plastoquinonas. Proponemos que estas interacciones estarían facilitando la canalización de GGPP hacia las correspondientes rutas biosintéticas.

El segundo objetivo de esta tesis fue analizar la canalización del flujo metabólico hacia la síntesis de carotenoides precursores del ABA en respuesta al estrés salino. Hemos demostrado que el único gen codificante para PSY en Arabidopsis se induce específicamente en la raíz después de un estrés salino para aumentar el flujo hacia la síntesis de carotenoides y que el estrés salino también provoca una inducción de los genes codificantes para las enzimas que sintetizan los precursores carotenoides (β,β-xantofilas) del ácido abscísico (ABA) reconduciendo el flujo de la vía hacia la síntesis de la hormona.

Isoprenoid represent the functionally and structurally most diverse group of metabolites. They are found in all organisms but are especially abundant and diverse in the plant kingdom, which play key roles in the plant primary and secondary metabolism. Most groups of plastidial isoprenoids derive from geranylgeranyl diphosphate (GGPP), which is produced from universal isoprenoid precursors by the enzyme GGPP synthase (GGPPS). In Arabidopsis thaliana, seven active isoforms have been confirmed to localize in plastids, one in the mitochondria and two in the endoplasmatic reticulum. GGPPS11, the most abundant plastidial isoform in vegetative tissues, has been proposed to be the main enzyme producing GGPP in plastids. Our comprehensive analysis of visual, molecular, and metabolic phenotypes of full and partial ggpps11 loss‐of‐function mutants has confirmed this hypothesis and established that GGPPS11 produces GGPP for the major groups of plastidial isoprenoids (carotenoids, chlorophylls, tocopherols, and plastoquinones). We also show that the GGPPS11 protein can physically interact with the enzymes that transform GGPP into the first committed intermediates of the pathways for the production of these plastidial isoprenoid metabolites. We propose that multienzyme complexes containing GGPPS11 and particular GGPP‐consuming enzymes might facilitate the channeling of GGPP to the corresponding isoprenoid biosynthetic pathways. Furthermore, we demonstrate that GGPPS11 might have an extra‐plastidial activity essential for the correct embryo development.

As a second objective, we have analyzed the regulation of the carotenoid pathway in response to salt stress. We have demonstrated that the single gene encoding phytoene synthase (PSY), the first committed and flux regulator step or the pathway, in Arabidopsis is specifically induced in the root under salt stress increasing the flow through the synthesis of carotenoids. This stress also leads to the upregulation of other enzymes of the pathway that produce the abscisic acid (ABA) precursors, β,β‐xanthophylls. This root specific transcriptional regulation of the pathway promotes the channeling of carotenoid precursors through the synthesis of the hormone under such stress situation.