Identificação e análise do padrão de expressão de genes codificantes de enzimas envolvidas na biossíntese de triacilglicerídios em mamona (Ricinus communis L.)

Abstract

Sementes de mamona (Ricinus communis) contêm grande quantidade de triacilglicerídios (TAGs) ricos em ácido ricinoléico (18:1OH), o qual é produzido pela conversão do ácido oléico (18:1) em ácido ricinoléico em uma reação catalizada pela enzima oleato hidroxilase (FAH12). Como resultado de suas propriedades físico-químicas, o óleo de mamona e seus derivados apresentam inúmeras aplicações industriais. A expressão heteróloga de FAH12 na oleaginosa modelo Arabidopsis thaliana resultou na produção de apenas 17% de ácidos graxos hidroxilados no óleo da semente. Este nível é muito inferior ao encontrado no óleo da mamona (90%), sugerindo que genes adicionais e maior conhecimento em relação à biossíntese de óleos em sementes são necessários antes de plantas serem manipuladas geneticamente visando a produção de óleos industrialmente importantes. Neste estudo, realizamos pesquisas no banco de dados genômico da mamona (http://castorbean.jcvi.org) com o objetivo de identificar genes da biossíntese de TAGs. No total, vinte e seis genes codificando seis distintas classes de enzimas envolvidas na biossíntese de TAGs foram identificados. A caracterização in silico e análises filogenéticas permitiram a identificação de isoformas plastidiais das famílias de enzimas glicerol-3-fosfato aciltransferase e ácido lisofosfatídico aciltransferase, envolvidas na rota procariótica da síntese de lipídios, que formam um cluster à parte das isoformas citoplasmáticas, envolvidas na rota eucariótica. Além disso, dois distintos polipeptídios da enzima diacilglicerol aciltransferase foram identificados. Adicionalmente genes codificantes das enzimas ácido fosfatídico fosfatase, fosfolipídio: diacilglicerol aciltransferase e colina fosfotransferase também foram identificados. A análise do padrão de expressão quantitativa demonstrou variação no perfil de expressão ao longo do desenvolvimento da semente de mamona tanto entre genes de diferentes classes de enzimas quanto entre genes de uma mesma classe de enzima. No geral, entretanto, existe uma tendência para um máximo nível de expressão nas fases intermediárias do desenvolvimento da semente, embora isso não tenha sido observado para todos os genes analisados. Os nossos resultados representam uma visão global da regulação da expressão de genes pertencentes a seis famílias enzimáticas envolvidas na biossíntese de TAGs em mamona ao longo do desenvolvimento da semente. Estes resultados podem vir a contribuir na escolha de possíveis genes-alvo para estratégias biotecnológicas que objetivem a produção de óleos desejáveis do ponto de vista nutricional e industrial.

Castor bean (Ricinus communis) seed oil contains high amounts of ricinoleic acid (18:1OH) rich triacylglycerols (TAGs), which is produced by the conversion of oleic acid (18:1) to ricinoleic acid in a reaction catalyzed by the enzyme oleato hidroxilase (FAH12). As result of its physical and chemical properties, castor oil and its derivatives are used for numerous bio-based products. Heterologous expression of FAH12 in the model oilseed plant Arabidopsis thaliana produced only up to 17% of hydroxy fatty acids in seed oils. This level is much lower than that found in castor oil (90%), suggesting that additional genes and significantly more knowledge of seed oil biosynthesis are needed before plants could be engineered to produce industrially important oils. In this study, we survey the Castor Bean Genome Database (http://castorbean.jcvi.org) to report the identification of TAG biosynthesis genes. A set of twenty-six genes encoding six distinct classes of enzymes involved in TAGs biosynthesis were identified. Interestingly, in silico characterization and phylogenetic analysis allowed us to identify plastidic isoforms of glycerol-3-phosphate acyltransferase and lysophophatidate acyltransferase enzyme families, involved in prokaryotic lipid biosynthesis pathway, that form a cluster apart from the cytoplasmic isoforms, involved in eukaryotic pathway. Besides, two distinct membrane bound polypeptides of diacylglycerol acyltransferase enzyme were identified. Additionally genes encompasses phosphatidate phophatase, phospholipid:diacylglycerol acyltransferase and choline-phosphotrasferase were also identified. Quantitative expression pattern analyses demonstrated variations on gene expressions along the castor seed development as much among enzyme classes as into the genes of same enzyme class. In general, however, there is a tendency of maximum expression level at the middle of seed development, although this is not observed for all the genes analyzed. These results represent snapshots of global expression regulation of genes encompassing six enzyme families involved in castor bean TAG biosynthesis along seed development. These results can contributed for the choice of genes that will be target to biotechnological approaches for the production of nutritionally and industrially desirable oils.