[en] This thesis mainly focuses on functional analysis and characterization of a number of secondary metabolite biosynthetic genes and the regulation of the corresponding secondary metabolite biosynthetic pathway in plants. The overall aims were to elucidate the transcriptional regulation of β-carotene hydroxylase 2 gene (BCH2) in maize, the functional analysis of rice isopentenyl diphosphate isomerases (OsIPPI), and determine their subcellular localization. Simultaneously, the influence of light on the metabolic pathway in rice was studied and the pelargonidin quantification and essential pelargonidin biosynthesis genes in Gentiana lutea L. var. aurantiaca were identified. Maize and rice plants were transformed with transcription factor genes ZmMYB and ZmPBF, via transient gene expression and stable transformation respectively. The results indicated that both ZmPBF and ZmGAMYB can transactivate ZmBCH2 expression in maize endosperm and ZmPBF and ZmGAMYB independently transactivate the ZmBCH2 promoter in rice. The two IPPI paralogs (OsIPPI1 and OsIPPI2) isolated previously in rice had a different expression pattern; OsIPPI1 mRNA was more abundant than OsIPPI2 mRNA in all tissues. Confocal fluorescence microscopy and immuno-electron microscopy were used to determine the localization of both proteins. These localized to the endoplasmic reticulum (ER) as well as peroxisomes and mitochondria, whereas only OsIPPI2 was detected in plastids. The detection of both isoforms in the ER indicates that DMAPP can be synthesized de novo in this compartment. UPLC, GC-MS and qRT-PCR were used to profile the primary and secondary metabolites and gene expression in de-etioleted rice seedlings. The results revealed both primary and secondary metabolism and the corresponding genes are regulated by light, especially isoprenoids biosynthesis in rice leaves. Eleven pelargonidin derivatives were identified in the petals of G. lutea and the biosynthetic pathway genes were profiled, revealing DFR, ANS and 3GT mainly affect the accumulation of pelargonidin glucosides. Collectively my results provide novel insights of the regulation of carotenoid and flavonoid biosynthesis in higher plants at different levels.

[es] Esta tesis se centra principalmente en el análisis funcional y en la caracterización de los genes que codifican para algunos metabolitos secundarios y en el estudio de su regulación en las plantas. Los objetivos generales fueron (a) profundizar en el conocimiento de la regulación transcripcional del gen de la biosíntesis de los carotenoides, la β-caroteno hidroxilasa 2 (BCH2) en el maíz, y (b) analizar la función de las dos isopentenil difosfato isomerasas (OsIPPI) de arroz, determinando además su localización subcelular. Simultáneamente, se estudió cómo la luz afecta a la vía metabólica y a la producción de pelargonidina en el arroz; se identificaron también los genes esenciales de su biosíntesis en Gentiana lutea L. var. aurantiaca. Las plantas de maíz y arroz se transformaron con los genes de los factores de transcripción ZmMYB y ZmPBF. Se analizó la expresión génica transitoria y se realizó transformación estable. Los resultados obtenidos indicaron que tanto ZmPBF como ZmGAMYB pueden transactivar la expresión de ZmBCH2 en endospermo de maíz, y ZmPBF y ZmGAMYB transactivar independientemente el promotor de ZmBCH2 en arroz. Los dos parálogos de IPPI (OsIPPI1 y OsIPPI2) aislados previamente en arroz tuvieron un patrón de expresión diferente; el ARNm de OsIPPI1 fue más abundante que el ARNm de OsIPPI2 en todos los tejidos. Se usó la microscopía de fluorescencia confocal y microscopía inmunoelectrónica para determinar la localización de ambas proteínas. Estas se localizan en el retículo endoplásmico (RE), así como en los peroxisomas y las mitocondrias, mientras que solo se detectó OsIPPI2 en los plastidios. La detección de ambas isoformas en el RE indica que DMAPP se puede sintetizar de novo en este compartimiento. Diferentes técnicas como UPLC, GC-MS y qRT-PCR también se utilizaron para perfilar los metabolitos primarios y secundarios y la expresión génica en plántulas de arroz des-etioladas. Los resultados revelaron que los genes involucrados en la en el metabolismo primario y secundario están regulados por la luz, especialmente en la biosíntesis de isoprenoides en hojas de arroz. Once derivados de pelargonidina se identificaron en los pétalos de G. lutea y se perfilaron los genes de la vía de biosíntesis, revelando que DFR, ANS y 3GT afectan principalmente a la acumulación de los glucósidos de pelargonidina. Todos estos resultados contribuyen al conocimiento, a diferentes niveles, de la regulación de las rutas biosinteticas de los carotenoides en plantas superiores.