Avaliação do papel da síntese de flavonóides no desenvolvimento fotomorfogênico de raízes em Arabidopsis thaliana

Abstract

A percepção de luz pela parte aérea da planta ativa o desenvolvimento das raízes abaixo do solo. Genes da via de biossíntese dos flavonóides têm sua expressão induzida nas raízes pela iluminação da parte aérea. Trabalhos anteriores em Arabidopsis thaliana já sugeriram várias potenciais moléculas envolvidas na sinalização de luz durante o desenvolvimento das raízes, como açúcares, auxina e o fator de transcrição ELONGATED HYPOCOTYL5 (HY5). HY5 é um regulador positivo da fotomorfogênese, controlando a transcrição de genes responsivos a luz, o que inclui os genes da via de biossíntese de flavonóides, os quais têm um papel importante na inibição do transporte polar de auxina. Portanto, HY5 funciona comunicando às raízes sob a situação luminosa percebida pela parte aérea e induzindo a biossíntese de flavonóides nas raízes, aumentando a expressão dos genes de biossíntese. Além disso, sabe-se que plantas cultivadas na sombra produzem menos raízes laterais (LR) e essa resposta é regulada por HY5, que reprime indiretamente dois transportadores de auxina (PIN3 e LAX3). Assim, o nosso objetivo é avaliar se a formação de LR depende do acúmulo de flavonóides promovido por HY5. Nossos resultados indicam que HY5 é necessário para a correta expressão da síntese dos flavonóides nas raízes e que a via metabólica deve estar íntegra para o efeito de HY5 nas LR ser expresso. Além disso, o intermediário naringenina (ou seus derivados), parece ter um papel positivo na formação de LR, atuando downstream a HY5. Além disso, os cruzamentos com mutantes dos transportadores de auxina revelaram que PIN3 e LAX3 são importantes para a formação de LR, atuando downstream aos flavonóides. Também identificamos uma rede molecular através de UHPLC-HRMS, para avaliar o efeito metabólico da naringenina. Essa rede indica que o perfil completo de flavonóides deve ser importante para o desenvolvimento da raiz e as alterações observadas especialmente no mutante tt6-3 podem resultar de um desvio metabólico da via dos flavonóides, longe da subclasse dos flavonóis. Além disso, também avaliamos o possível papel dos flavonóis no zoneamento do meristema radicular. Sabe-se que esses compostos contribuem para o efeito de citocinina (CK) na zona de transição das raízes (zona que divide a zona meristemática da zona de alongamento), que é essencial para estabelecer um mínimo de auxina importante para o tamanho do meristema radicular. Observamos um acúmulo de flavonóis no meristema em resposta à CK que possivelmente afetam o tamanho do meristema. Em conclusão, nossos resultados apontam um papel cooperativo da luz, auxina, CK e flavonóis na organização do meristema radicular e indução do crescimento da raiz dependente de luz.

Light perception by shoots activates the primary root development underground. Genes from the flavonol biosynthesis pathway have their expression in roots increased by shoot illumination. Previous works in Arabidopsis thaliana have shown several potential light signalling components involved in root development, such as sugars, auxin and the transcription factor ELONGATED HYPOCOTYL5 (HY5). HY5 is a positive regulator of photomorphogenesis, controlling the transcription of several light regulated genes, including many belonging to the flavonol biosynthesis pathway. These metabolites have an important role inhibiting polar auxin transport. Ultimately, HY5 functions by communicating roots of the light signal perceived by shoots. Additionally, it’s known that plants cultivated in shade produce fewer lateral roots and this response is regulated by HY5, which negatively regulates two auxin transporters (PIN3 and LAX3). Hence, our goal is to evaluate whether lateral root formation depends on flavonols accumulation promoted by HY5. Our results indicate that HY5 is necessary for the correct induction of flavonols in roots and the pathway must be intact for the HY5 effect on lateral roots. Also, naringenin, or its derivatives, seem to have a role in lateral root formation, acting downstream to HY5. Besides that, the crosses with the auxin transporters mutants revealed that PIN3 and LAX3 are important for lateral root formation, probably acting downstream to flavonols. We also identified a molecular network using UHPLC-HRMS to assess the metabolic effect of naringenin. This network indicates that the complete flavonoid profile is likely important for root development, and the observed alterations, particularly in the tt6-3 mutant, may result from a metabolic diversion of the flavonoid pathway away from the flavonol subclass. Furthermore, we also evaluated the possible role of flavonols in the root meristem zoning as they might contribute to the effects of cytokinin (CK) in the transition zone of roots (zone that divides the meristematic zone from the elongation zone), which is essential for establishing an auxin minimum important for root meristem size. We observed flavonol accumulation in the root meristem of CK-treated wild type plants and the same pattern in some flavonol mutants, but without the CK treatment, suggesting an interaction of CK and flavonols. In conclusion, our results point to a cooperative role for light, auxin, CK and flavonols in the organisation and promotion of light-dependent root growth.