Caracterización genética y funcional de la familia 3-Fosfoglicerato Deshidrogenasa (PGDH) de Arabidopsis thaliana

Resumen

El metabolismo primario de las plantas es un proceso complejo, en el que las vías que participan deben estar perfectamente coordinadas e integradas con el fin de lograr el desarrollo adecuado de las plantas y su aclimatación al medio ambiente. Un ejemplo de tal complejidad es la biosíntesis del aminoácido L- serina, que se lleva a cabo en al menos dos orgánulos diferentes y por rutas distintas. A pesar del papel crucial de la serina en las plantas, no se conoce cuál es la importancia biológica de la coexistencia de varias rutas biosintéticas; tampoco se conoce cómo interactúan estas rutas para mantener la homeostasis de dicho aminoácido en las células. Se han descrito tres rutas diferentes de biosíntesis de serina en las plantas: la ruta del glicolato, asociada a la fotorrespiración, y dos rutas no fotorrespiratorias denominadas ruta del glicerato y ruta fosforilativa. La ruta fosforilativa de biosíntesis de serina (RFBS) se ha estudiado relativamente poco, probablemente debido a que se consideró de menor importancia en comparación con la ruta del glicolato. El objetivo principal de esta tesis doctoral ha sido contribuir a dilucidar el papel de la RFBS en las plantas, utilizando como modelo Arabidopsis thaliana. Específicamente se ha procedido a la caracterización funcional de genes que codifican para la 3-fosfoglicerato deshidrogenasa (PGDH), primera enzima de la RFBS. Se han identificado tres genes que podrían codificar para la enzima PGDH, denominados PGDH, 3-PGDH y EDA9 (Embryo Sac Developmenal Arrest9). Mientras que PGDH ya había sido clonado y la enzima que codifica caracterizada bioquímicamente, 3-PGDH y EDA9 no habían sido estudiados hasta la fecha. A nivel de su secuencia aminoacídica, 3-PGDH y EDA9 presentan un alto porcentaje de identidad con PGDH, por lo que se les agrupó dentro de una familia génica que denominamos “familia PGDH”. Los tres genes mostraron un patrón de expresión diferente, indicando que no son funcionalmente redundantes. Los mutantes de los genes PGDH y 3-PGDH no presentan fenotipos visuales drásticos, pero el mutante eda9.1eda9.1 es letal, mostrando un retraso en el desarrollo embrionario que conduce al aborto de los embriones. El fenotipo de letalidad del embrión del mutante eda9.1eda9.1 se complementó con el cDNA del gen EDA9 bajo el control del promotor 35S (Pro35S:EDA9) y de su propio promotor (ProEDA9:EDA9). Sin embargo, la construcción que lleva el promotor 35S, que muestra baja expresión en el tapete de las anteras, no complementó la fertilidad del mutante. El desarrollo de las microsporas en eda9.1eda9.1 Pro35S:EDA9 se detiene en la etapa de microspora polarizada. El polen de estas líneas carece de trifina en los intersticios de la exina, la capa más externa del grano de polen, mostrando formas colapsadas y deformadas que no fueron capaces de germinar cuando se cultivaron in vitro. Un análisis metabolómico de los mutantes de la familia PGDH y de las líneas que sobreexpresan estos genes, reveló que los tres genes de la familia pueden regular la homeostasis de la serina, siendo PGDH el más importante cuantitativamente en el proceso de biosíntesis de serina en toda la planta. Por el contrario, el papel esencial de EDA9 podría estar relacionado con su expresión en tipos celulares muy específicos. En esta tesis, ponemos de manifiesto el papel crucial de EDA9 en el desarrollo del embrión y del polen, lo que sugiere que la RFBS es un importante nexo de unión entre el metabolismo primario y el desarrollo.