História evolutiva do fator de transcrição NF-Y (Nuclear Factor of Y Box) em plantas e seu papel na regulação do desenvolvimento e acúmulo de lipídeos em oleaginosas

Abstract

Em sementes, os lipídeos de reserva são compostos, principalmente, por triacilglicerídeos (TAG), os quais se acumulam durante a fase de maturação do embrião ou endosperma e, durante a germinação da semente são catabolizados, fornecendo energia para o estabelecimento e desenvolvimento da plântula. Na presente tese buscamos, primeiramente, contribuir para um melhor entendimento do processo de síntese de ácidos graxos e TAGs em plantas e algas, por meio de um estudo comparativo das diferentes rotas envolvidas na produção e acúmulo de lipídeos de reserva nestes grupos de organismos. As principais rotas de biossíntese de ácidos graxos e TAGs em algas são análogas às apresentadas em plantas e, ao contrário de plantas, as algas acumulam quantidades significativas de lipídeos na forma de TAGs apenas sob condições desfavoráveis de crescimento ou de estresse. Posteriormente, passamos às análises acerca do fator de transcrição eucariótico NF-Y (Nuclear Factor of Y box), o qual participa da regulação de processos como maturação, síntese e acúmulo de lipídeos em sementes. NF-Y é um complexo hetero-oligomérico formado por três subunidades (NF-YA, NF-YB e NF-YC). Análises filogenéticas mostraram que a diversificação em todas as subunidades do fator de transcrição NF-Y é resultado de diversos eventos de duplicação ao longo da evolução e diversificação das plantas, muitos dos quais ocorridos após a divergência entre mono e dicotiledôneas. O estudo detalhado dos genes que codificam a subunidade NF-YB, sugere um modelo no qual uma subclasse de genes denominados tipo LEC1 (LEAFY COTYLEDON1) teria se originado em plantas vasculares através de processos de neofuncionalização e/ou subfuncionalização. Análises de expressão e de interação proteína-proteína demonstraram a existência de diferentes parceiros NF-YC para LEC1 e L1L, indicando que os genes do tipo LEC1 em mamona não são redundantes e podem ter evoluído para desempenhar diferentes papéis durante o desenvolvimento da semente de mamona. Por fim, realizamos a identificação dos genes alvo diretos de LEC1 nos estágios cotiledonar e de início da maturação da semente de soja (Glycine max). Nossos resultados demonstraram que LEC1 apresenta uma grande quantidade de genes alvo comuns às duas fases de desenvolvimento da semente analisadas, mas também apresenta enriquecimento em diferentes processos metabólicos nos estágios cotiledonar e de início da maturação. Além disso, LEC1 se liga não somente a promotores alvo enriquecidos na sequência canônica CCAAT como também a outras sequências, com destaque para motivos de ligação de fatores de transcrição do tipo bZIP, o que pode indicar que tais fatores de transcrição podem estar relacionados com a regulação do desenvolvimento e maturação da semente exercida por LEC1.

In seeds, lipids of storage are composed mainly of triacilglicerídeos (TAG), which accumulate during the maturation phase of embryo or endosperm, and during seed germination are catabolized, providing energy for the establishment and seedling development . In this thesis, first of all, we focused on the understanding of fatty acid and TAG biosynthesis in plants and algae, through a comparative study of the different pathways involved with lipid production and accumulation in these organisms. The main pathways for fatty acids and TAG biosynthesis in algae are analogous to those demonstrated in higher plants and, in contrast with plants, algae accumulate high levels of TAGs only under unfavorable growth or stress conditions. We also analyzed the NF-Y (Nuclear Factor of Y box) eukaryotic transcription factor, which is involved in the regulation of maturation, lipid biosynthesis and accumulation in seeds. NF-Y is an oligotrimer complex composed by three subunits (NF-YA, NF-YB and NF-YC). Phylogenetic analysis showed that the gene diversification observed for all NF-Y subunits likely resulted from several duplication events along evolution and diversification of plants, some of them occurred after the divergence of monocots and eudicots. The study of the NF-YB subunit encoding genes suggested a model in which LEC1 (LEAFY COTYLEDON1) type gene family originated in vascular plants through a process of neofunctionalization and/or subfunctionalization. Expression analysis and protein interaction experiments demonstrated that are different NF-YC partners for LEC1 and L1L, indicating that LEC1-type genes in castor bean are not redundant and could have evolved to play different roles during castor seed development. Finally, we identified the direct targets of LEC1 in the cotyledon and early maturation stages during soybean seed development (Glycine max). We observed that LEC1 has a high number of common direct targets to both stages of soybean seed development, but also presents enrichment in different metabolic process in cotyledon and early maturation stages. Besides that, LEC1 bind not only the promoter regions enriched in CCAAT binding sequences but also other sequences, especially bZIP binding sites, which can indicate that bZIP transcription factor could be related with the regulation of seed development and maturation performed by LEC1.