Caracterização funcional dos genes OsZIP3, OsFRO1 e OsFRO2 de arroz (Oryza sativa L.)

Abstract

As plantas necessitam de um conjunto de elementos químicos essenciais, entre eles os metais ferro, zinco, manganês, níquel e cobre. Contudo, esses metais podem se tornar tóxicos quando presentes em excesso dentro das células. Desse modo, as plantas possuem mecanismos fisiológicos para manter níveis apropriados desses elementos. O ferro e o zinco estão entre as três maiores deficiências nutricionais em humanos ao redor do mundo, e um maior conhecimento sobre os mecanismos que regulam sua homeostase poderá auxiliar em intervenções para produção de linhagens com maior conteúdo de metais em suas partes comestíveis. O arroz é um dos cereais mais cultivados e consumidos no mundo, e diversas famílias gênicas possivelmente relacionadas com a homeostase de ferro e zinco foram identificadas no genoma dessa planta. Entre elas, estão a família ZIP de transportadores de metais e a família FRO de redutases férricas. Este estudo procurou caracterizar funcionalmente os genes OsZIP3, OsZIP4, OsZIP7 e OsFRO1 através da análise de mutantes por inserção do retrotransposon Tos17. Os mutantes zip4 e zip7 não apresentaram alterações fenotípicas drásticas quando comparados ao tipo selvagem. Já o mutante zip3 apresentou um fenótipo distinto durante os estágios reprodutivos: maior número de panículas e menor produção de sementes Essa menor produção de sementes se deve a uma maior quantidade de espiguetas vazias, a qual possivelmente é causada por uma menor viabilidade do pólen. De fato, grãos de pólen de plantas zip3 apresentaram metade da concentração de Zn observada no tipo selvagem. Esses dados sugerem um papel no carregamento de Zn para os grãos de pólen para OsZIP3. Uma análise da sequência de diversos genes FRO de angiospermas indicaram que essa família é relativamente bem conservada e que pode ser subdividida em três grupos. Aparentemente, dicotiledôneas possuem mais ortólogos FRO em seus genomas do que monocotiledôneas. A maioria dos genes FRO de monocotiledôneas agrupou-se dentro da subfamília 2, que parece ser constituída por genes de arquitetura conservada e expressos em partes aéreas. Desse modo, resolvemos caracterizar funcionalmente OsFRO1 e OsFRO2 de arroz por expressão heteróloga em leveduras para determinar sua atividade de redutase, e a caracterização fenotípica de dois mutantes fro1 por inserção do retrotransposon Tos17.

Plants require a set of essential chemical elements, among them the metals iron, zinc, manganese, nickel and copper. However, these metals might become toxic when present in excess inside cells. Thus, plants possess physiological mechanisms to maintain appropriate levels of these elements. Iron and zinc deficiencies are among the three major nutritional limitations in humans worldwide, and a wider knowledge about their homeostasis in plants might help interventions to generate lineages with higher metal contents in their edible parts. Rice is one of the most cultivated and consumed crops around the world, and many gene families possibly related to iron and zinc homeostasis were identified in the genome of this plant. Among them are the ZIP family of metal transporters and the FRO family of ferric reductases. This study aimed to functionally characterize the OsZIP3, OsZIP4, OsZIP7 and OsFRO1 genes by the analysis of Tos17 insertion loss-of-function mutants. The zip4 e zip7 mutants did not present any drastic phenotypic alterations when compared to wild type. In contrast, the zip3 mutant presented a distinct phenotype during reproductive stages: higher number of panicles and reduced seed yield This lower seed yield was caused by the increased number of empty spikelets, which is possibly the result of lower pollen viability. In fact, pollen grains from zip3 plants presented half of the Zn concentration found in wild type. These data suggest a role in Zn loading to pollen grains for OsZIP3. Analysis of several genes FRO genes from flowering plants indicated that this family is relatively well conserved and that it can be subdivided in three groups. Apparently, dicots possess more FRO orthologs in their genomes than monocots. The majority of monocot FRO genes clustered inside subfamily 2, which seems to comprehend genes of conserved architecture and expressed in shoots. Therefore, we decided to functionally characterize rice OsFRO1 and OsFRO2 by heterologous expression in yeast to determine their reductase activity, and phenotypic characterization of two fro1 mutants derived from insertion of the retrotransposon Tos17.