Estudio funcional de factores de transcripción de la familia HD-Zip clase I en Streptophytas y su rol en los mecanismos moleculares en las respuestas al estrés
Creators: name: Romani, Facundo
Publisher: name: Zenodo
Year: 2020
Subjects: Plant biology
Transcription factor
Evolution

description: Los ancestros de las plantas actuales son algas verdes acuáticas que se han adaptado al ambiente terrestre. Esta transición ocurrió hace ~450 millones de años y representó uno de los principales eventos evolutivos que dieron forma al mundo en que vivimos. Durante este período, las estreptofitas desarrollaron el cuerpo de la planta, así como otros rasgos novedosos de las plantas. Las plantas terrestres tuvieron que lidiar con un ambiente más fluctuante y agresivo, además de tener que competir con otros organismos. A nivel del genoma, esta transición fue acompañada por un incremento del número de genes que codifican para factores de transcripción (FTs), los cuales son necesarios para regular la expresión génica durante el desarrollo y las respuestas a los estímulos ambientales. Aquí, estudiamos la familia de FTs de HOMEODOMAIN LEUCINE ZIPPER (HDZ). Esta familia desempeña varias funciones en las respuestas ambientales y de desarrollo que podrían haber sido fundamentales para la evolución de las plantas. La forma precisa en que evolucionaron y el papel ancestral de esta familia de genes era desconocida. En primer lugar, realizamos un análisis filogenético y bioinformático de los genes <em>HDZ</em> utilizando conjuntos de datos transcriptómicos y genómicos. Incluimos una amplia gama de especies de plantas verdes (<em>Viridiplantae</em>), incluyendo embriofitas (plantas terrestres), clorofitas y charofitas (el linaje más cercano a las plantas terrestres). Encontramos evidencia de genes <em>HDZ</em> en clorofitas y charofitas que divergieron tempranamente de otras plantas terrestres. Pudimos establecer que la divergencia entre las cuatro clases de HDZ (I-IV) se produjo tempranamente en la evolución de las charofitas y antes de la colonización de la tierra por parte de las plantas. Además, inferimos la incorporación progresiva de motivos auxiliares. De manera interesante, la mayoría de las características estructurales ya estaban presentes en los linajes antiguos. Nuestro análisis filogenético nos permite inferir que el origen de las clases I, III y IV es monofilético en embriofitas con respecto a las charofitas. Sin embargo, los genes <em>de </em>la clase II presentan dos linajes conservados en charofitas y musgos que difieren en la presencia o ausencia del motivo CPSCE. Nuestros resultados indican que la familia HDZ ya estaba presente en las algas verdes. Posteriormente, ocurrió una expansión de esta familia, acompañando los rasgos críticos de las plantas. Una vez en tierra, la familia HDZ experimentó múltiples eventos de duplicación que promovieron neo y subfuncionalizaciones que podrían haber jugado un papel importante para la vida terrestre. Sorprendentemente, encontramos que se perdieron varios genes <em>HDZ de clase I</em> (<em>C1HDZ)</em> en monocotiledóneas de pastos acuáticos (Alismatales), lo que representa un destino evolutivo opuesto al descripto durante la transición de las plantas a la tierra. Además, realizamos estudios funcionales del único FT de tipo C1HDZ en la planta modelo <em>Marchantia polymorpha</em>. Las hepáticas pertenecen a las briofitas, se diversificaron de las plantas vasculares (Traqueofitas) casi inmediatamente después de la transición de las plantas a la tierra. Esto nos permite hacer inferencias evolutivas sobre el papel ancestral de esta subfamilia y compararlo con la literatura conocida en plantas con flores (angiospermas). Según estudios funcionales en la planta modelo <em>Arabidopsis thaliana</em> y otras angiospermas, los FTs pertenecientes a C1HDZ modulan las respuestas moleculares a la sequía y otras funciones asociadas al desarrollo de la planta. Sin embargo, se sabe poco sobre su papel en las briofitas. En contraste con angiospermas, el genoma de <em>M. polymorpha</em> codifica para un único ortólogo de <em>C1HDZ</em> (<em>MpC1HDZ</em>). El FT <em>MpC1HDZ</em> está altamente conservado y presenta todas las características estructurales descriptas en angiospermas. Generamos plantas mutantes de pérdida de función para este gen utilizando la tecnología CRISPR/Cas9 (Mp<em>c1hdz)</em>. Sorprendentemente, el mutante no mostró una mejor tolerancia a los tratamientos de estrés por sequía, estrés osmótico o salino. Además, <em>MpC1HDZ</em> no se indujo por tratamientos de estrés abiótico como sucede en las angiospermas. Estos regulados sugieren que su papel relacionado con el estrés abiótico no ésta conservado entre las embriofitas. Curiosamente, el mutante Mp<em>c1hdz</em> presentó una fuerte reducción en el número de cuerpos oleosos (<em>oil bodies</em>). Los <em>oil bodies</em> se encuentran en células idioblásticas dispersas en el gametofito, a su vez, representan un sinapomorfia de las hepáticas. Estas organelas acumulan metabolitos secundarios como los terpenoides. Aunque la función y la regulación de los <em>oil bodies</em> aún no están claras, se ha propuesto que podrían desempeñar un papel tanto en la respuesta de la planta al estrés biótico y abiótico. En este trabajo, exploramos los posibles roles de los <em>oil bodies</em> bajo diferentes condiciones de estrés. Las plantas Mp<em>c1hdz</em> fueron más susceptibles a la herbivoría por insectos, mientras que los extractos de plantas presentaron una actividad antibacteriana reducida. En contraste, no detectamos diferencias en el crecimiento de las plantas bajo ninguna de las condiciones de estrés abiótico probadas. Nuestros resultados apoyan la hipótesis de que los <em>oil bodies</em> de Marchantia son críticos para las interacciones bióticas pero no para las respuestas de estrés abiótico. El análisis transcriptómico reveló que la expresión de genes implicados en la regulación del metabolismo secundario y su biosíntesis está reducida en plantas mutantes Mp<em>c1hdz</em>. En este sentido, el perfil metabólico mostró que estas plantas no acumulan terpenoides. Consistentemente, utilizando un reportero transcripcional encontramos que <em>MpC1HDZ</em> se expresa durante el desarrollo temprano de las células de <em>oil bodies</em>. Estos resultados sugieren que el gen <em>MpC1HDZ</em> cumple un rol en la diferenciación de las células de <em>oil bodies</em> y la biosíntesis de terpenoides. En general, proporcionamos un modelo para la evolución molecular de los genes <em>C1HDZ</em>. Proponemos que Marchantia cooptó y neofuncionalizó el gen <em>C1HDZ</em> para producir <em>oil bodies</em>, mientras que su función en las respuestas al estrés hídrico es una innovación que ocurrió más tarde en la evolución de las plantas vasculares. Además, proporcionamos evidencias novedosas sobre la regulación del metabolismo secundario y el rol biológico de los <em>oil bodies </em>en hepáticas.
description: {"references": ["F Romani, PA Ribone, VN Miguel, M Capella, R. L Chan (2016). A matter of quantity: common features in the drought response of transgenic plants overexpressing HD-Zip I transcription factors. Plant Science 251:139-154. doi: 10.1016/j.plantsci.2016.03.004", "F Romani, R Reinheimer, SN Florent, JL Bowman, JE Moreno (2018). Evolutionary history of HOMEODOMAIN LEUCINE ZIPPER transcription factors during plant transition to land. New Phytologist 219(1): 408-442. doi:10.1111/nph.15133", "F. Romani*, E. Banic*, S. N. Florent, T. Kanazawa, J. Q. D. Goodger, R. Mentik, T. Dierschke, S. Zachgo, T. Ueda, J. L. Bowman, M. Tsiantis, J. E. Moreno (2020). Oil body formation in Marchantia is controlled by MpC1HDZ and serves as a defense against arthropod herbivores. Current Biology doi: https://doi.org/10.1016/j.cub.2020.05.081. BioRxiv (pre-print) doi: https://doi.org/10.1101/2020.03.02.971010.", "JE Moreno, F Romani, RL. Chan (2018) Arabidopsis thaliana homeodomain-leucine zipper type I transcription factors contribute to control leaf venation patterning. Plant Signal and Behaviour 13:3 e1448334. doi: 10.1080/15592324.2018.1448334"]}