Desvendando os processos bioquímicos e moleculares envolvidos com as diferentes síndromes de polinização nas espécies Calibrachoa parviflora e Calibrachoa pygmaea

Abstract

Mesmo espécies proximamente relacionadas podem apresentar enormes diferenças em caracteres florais, como cor da flor, emissão de essência floral e produção de néctar. Essas diferenças são frequentemente relacionadas a polinização por grupos específicos, conhecidos como síndrome de polinização. Adaptação para um especifico tipo de polinizador, pode levar a mudanças em síndrome de polinização, através de complexos processos, que envolvem alterações em diferentes características. Portanto uma maneira de entender como esses processos ocorrem se dá através de analises moleculares de caracteres individuais dentro das síndromes de polinização. Por consequência, características florais presentes em duas espécies proximamente relacionadas no gênero Calibrachoa, C. parviflora e C. pygmaea, as quais apresentam diferentes síndromes de polinização foram analisadas no intuito de entender os mecanismos e bases moleculares responsáveis pelas diferenças em síndrome de polinização nessas duas espécies e que podem ser relacionadas a processos de diversificação do gênero dirigida por interações planta- polinizador. C. parviflora apresenta flores na cor rosa, e possui características adaptadas a polinização por abelhas, enquanto que C. pygmaea possui flores brancas, emitem aroma floral e é adaptada para polinização via mariposas. O gênero Calibrachoa é relacionado com o gênero Petunia, e espécies de ambos os gêneros compartilham as mesmas síndromes de polinização, em Petunia muitos dos genes relacionados a cor das flores e emissão de compostos essência já foram identificados e caracterizados. Por exemplo o gene AN2 responsável pela diferença de cor das flores entre as espécies Petunia integrifolia e P. axillaris. Porém, análises desse gene em espécies de Calibrachoa demonstraram que nas espécies de C. parviflora e C. pygmaea esse gene não é o responsável pela diferença na cor das flores como se observa entre as espécies de Petunia. Alem disso, os pigmentos que compõem a cor das flores dessas duas espécies foram identificados como pertencentes as duas classes de pigmentos as antocianinas e os carotenoides, sendo a composição majoritária de antocianinas, da classe das delfinidinas. A composição dos pigmentos das duas classes, mostrou ser bastante espécie-especifica em que C. pygmaea produz maiores quantidades de carotenos do tipo β-caroteno e antocianidinas do tipo petunidina. Enquanto que, C. parviflora sintetiza maiores quantidade de carotenos do tipo luteína e antocianidinas do tipo petunidina e malvidina. As duas espécies são capazes de sintetizar antocianinas, embora apresentem diferenças na quantidade de produto originado, C. parviflora produz maiores quantidades de antocianinas do que C. pygmaea, portanto apresenta flores com maior pigmentação, já C. pygmaea produz baixa quantidade de antocianinas e então apresenta flores com baixa pigmentação. Através de obtenção de dados de transcriptoma para as duas espécies e via análises dos níveis de expressão gênica dos genes da via de biossíntese das antocianinas e flavonoides, observou-se que os genes responsáveis pela formação das antocianinas, e consequentemente pela cor das flores são expressos em maiores níveis em C. parviflora comparados com C. pygmaea. Portanto a diferença na cor das flores entre essas duas espécies pode ser atribuída a diferença de expressão dos genes responsáveis pela síntese de antocianinas. Com destaque a expressão do gene responsável pelo transporte das antocianinas para o vacúolo (AN9) e dos genes responsáveis pela acidificação do lúmen vacuolar (genes do PH) em C. pygmaea. Além disso, fatores regulatórios do tipo trans parecem estar atuando na regulação destes genes em C. pygmaea. Ademais, observações das flores de C. pygmaea mostraram que essa espécie possui um interessante fenômeno de mudança de cor das flores durante o dia, o qual mostrou ser influenciado pela presença de luz, induzindo pigmentação e mudando a cor das flores de brancas para amarelo claras no lado adaxial da corola e púrpura/ amarronzada no lado abaxial da corola, retornando a cor das flores para brancas ao crepúsculo e permanecendo brancas durante toda a noite. Esse fenômeno se relaciona com a síndrome de polinização da espécie. Uma outra característica floral importante na relação planta x polinizador é a emissão de aroma floral. Sabe se que espécies adaptadas para serem polinizadas por mariposas frequentemente liberam essência floral. Então, os compostos orgânicos voláteis de aroma emitidos pelas flores de C. pygmaea foram identificados e caracterizados neste trabalho. As análises revelaram que a maioria dos compostos de essência emitidos por C. pygmaea fazem parte dos benzenoides/ fenilpropanoides e mostram um ritmo controlado de emissão noturna, também associados a síndrome de polinização. Portanto, as características florais que estão conectadas com a síndrome de polinização foram analisadas pela primeira vez em espécies silvestres do gênero Calibrachoa pygmaea e C. parviflora. Os resultados aqui obtidos contribuem para um melhor entendimento de como se dá os processos de transição entre síndromes florais no gênero Calibrachoa, e que podem ser associados aos processos de diversificação no gênero. Através da identificação dos tipos de pigmentos produzidos pelas flores, bem como a identificação dos primeiros genes candidatos envolvidos na diferença de cor das flores entre estas duas espécies, e os tipos de compostos de essência floral emitidos por C. pygmaea.

Closely related plant species can display very different floral traits, as flower colour, scent floral emission and production of nectar as a reward, known as pollination syndromes, which are often correlated with specific groups of pollinators. Adaption to a specific type of pollinator can result in change in the pollination syndrome through a complex process involving alteration in different traits. Therefore, one way to understand how these processes evolve is through molecular analysis and characterization of single traits within pollination syndromes. Thus, the floral traits in two close species of Calibrachoa genus, Calibrachoa parviflora and C. pygmaea, which display different polination syndromes, the former species has pink flowers and are adapted to bee-polinated, while C. pygmaea has white flowers, emit scent and are adapted to moth-pollination were analysed in order to understand the mechanisms and molecular bases responsible for the differences in pollination syndrome that can leads to species diversification driven by plant-pollinator interactions. The Calibrachoa genus is related with Petunia genus, in which species from both genera sharing the same pollination syndromes. In petunia species many of the genes involves with the differences in flower colour and floral scent release were identified. For instance, the AN2 gene, that is responsible for the flower colour differences between Petunia integrifolia and P. axillaris. Therefore, analysis of this gene in Calibrachoa species showed that for C. pygmaea and C. parviflora this gene does not play the same role as in Petunia species. The pigments that composes the flower colour in C. parviflora and C. pygmaea were identified as belonging to the two class of pigments the anthocyanins and carotenoids, yet constituted mainly of anthocyanins from the class of the delphinidins. The composition of the pigments from both class showed to be specie-specific in which C. pygmaea produces more β-carotene from the carotenoids and petunidin as anthocyanidins, whereas C. parviflora synthesize more lutein carotenoid type and petunidin and malvidin as anthocyanidins in the corolla limb. These two species are able to synthesize anthocyanins, despite the differences in the amount of production, C. parviflora makes more anthocyanins thus shows strong flower pigmentation and C. pygmaea produces low amonts of anthocyanins, therefore has flowers with low pigmentation. By construction a transcriptomic data between these two species, and then, the analysis of expression levels of the genes from the flavonoid/anthocyanins biosynthetic pathway it was observed that the genes which are responsible for the flower colour are higher expressed in C. parviflora than in C. pygmaea. Thus, the differences in flower colour between these two species can be attribute to the differences in the expression levels of all the genes involved in anthocyanin synthesis. Highlighting, the very low expression of the gene responsible for transport the anthocyanins to the vacuole (AN9) and the genes involved in the acidification of the vacuole (PH genes) in C. pygmaea. Moreover, a trans regulatory factor is likely to be responsible for the regulation of these genes in C. pygmaea. Furthermore, observations of Calibrachoa pygmaea flowers showed that this species displays an interesting phenomenon of flower colour change during the day. That showed to be under the influence of light, inducing pigmentation and change the flower colour from white to pale yellow in the adaxial side of corolla and purplish/ brownish at the abaxial side, and then turning back the flower colour to white at dusk, and remain the white colour of the flowers overnight. This phenomen showed to be associated with the pollination syndrome in this species. Floral scent emission is another important trait in the relationship plant x pollinator, and is known that species adapted to be pollinated by moths often releases floral aroma. Thus, the floral volatiles compounds were identified and characterized in C. pygmaea. The analysis revealed that the majority of the scent compounds are part of the benzenoid/ phenilpropanoid class and shows a controlled nocturnal rhythm of emission, which is also related with the pollinator syndrome. Thus, the floral traits that are connected with pollination syndrome were analysed for the first time in Calibrachoa pygmaea and C. parviflora species, these findings contribute to a better understand of the process of pollination syndrome transition in Calibrachoa genus. Through the identification of of the class of pigments synthesized by the flowers in both species and the identification of the first candidate genes involved in the flower colour difference between these two species, as well as the identification of the scent compounds emitted by C. pygmaea flowers.