Caracterização de novos transportadores possivelmente envolvidos em homeostase de Fe e Zn em plantas de arroz (Oriza sativa L.)

Abstract

O arroz é uma das monoculturas mais importantes no mundo, sendo alimento diário para cerca de metade da população mundial. No entanto, o grão de arroz é pobre em micronutrientes como Fe e Zn, os dois minerais mais comumente deficientes na dieta humana. Em plantas, tanto Fe quanto Zn devem ser absorvidos do solo, distribuídos e armazenados na planta, de forma que suas concentrações sejam mantidas em níveis suficientes, porém não tóxicos. A compreensão dos mecanismos e proteínas envolvidas na manutenção da homeostase de Fe e Zn em plantas tem o potencial de beneficiar a agricultura, melhorando o uso dos micronutrientes pelas plantas, assim como indicar abordagens que visam à biofortificação dos grãos, aumentando a qualidade nutricional dos mesmos. Neste trabalho, foi identificada e caracterizada em nível genômico uma nova família de genes, ZINC-INDUCED FACILITATOR LIKE (ZIFL), incluindo a organização no genoma, análises de sequências e regulação da expressão gênica em arroz. Demonstramos que a família ZIFL passou por um processo de expansão na linhagem das monocotiledôneas, e caracterizamos as duplicações dos genes ZIFL de arroz, assim como a sua regulação em resposta a variações nas concentrações de Fe e Zn Em um segundo trabalho, analisamos o perfil ionômico de linhagens de Arabidopsis thaliana expressando genes de arroz, e identificamos um novo transportador de Zn localizado na membrana plasmática, OsZIP7. As linhagens de A. thaliana expressando OsZIP7 são sensíveis ao excesso de Zn, e têm a dinâmica do acúmulo de Zn na base dos tricomas em folhas alterada. Com base nessas observações, nós demonstramos que os tricomas acumulam Zn no apoplasto, possivelmente ligado à parede celular, e que esse acúmulo depende da concentração de Zn nas folhas. Por último, propomos que a localização de Zn em tricomas seja parte de um mecanismo para detoxificação de excesso do metal em A. thaliana, uma planta não-hiperacumuladora de metais. Nossas observações podem servir de base para estudos da família ZIFL em plantas, e demonstram a utilidade de técnicas para o estudo da ionômica combinadas com expressão heteróloga em A. thaliana. Nosso trabalho descreve novos genes com potencial para o melhoramento de plantas e biofortificação.

Rice is one of the most important cultures in the world, with nearly half of the population eating rice every day. However, the rice grain is very poor in micronutrientes such as Fe and Zn, the two minerals most often deficient in the human diet. In plants, both Fe and Zn should be acquired from the soil, distributed and stored within the plant, and their concentrations should be maintained in sufficient but non-toxic levels. Understanding the mechanisms and proteins involved in Fe and Zn homeostasis in plants has the potential to benefit agriculture, improving the use of micronutrientes by plants, as well as indicate approaches for grain biofortification to increase their nutritional quality. In this work, we identified e characterized at the genomic level a new family of proteins, ZINC-INDUCED FACILITATOR LIKE (ZIFL), including their organization in the genome, sequence analyses and gene expression regulation in rice. We demonstrated that the ZIFL family underwent an expansion process in the monocot lineage, and characterized the duplication of ZIFL genes in rice as well as their regulation in response to variations in Fe and Zn concentrations. In another work, we analyzed the ionomics profile of Arabidopsis thaliana lines expressing rice genes, and identified a new plasma membrane Zn transporter, OsZIP7 A. thaliana lines expressing OsZIP7 are sensitive to Zn excess, and the dynamics of Zn accumulation at the base of their leaf trichomes is altered. Based on those observations, we show that trichomes accumulate Zn in the apoplast, possibly bound to the cell wall, and that this accumulation is dependent on the Zn leaf concentration. At last, we propose that the localization of Zn in trichomes is part of a mechanism for excessive Zn detoxification in the metal non-hyperaccumulator A. thaliana. Our observations could be the base for new studies with the ZIFL family in plants, and also show the usefulness of combining ionomics techniques with heterologous expression in A. thaliana. Our work describes new genes with potential for plant breeding and biofortification.