Abordagem genômica, transcriptômica e evolutiva no estudo de genes envolvidos na biossíntese de carotenóides : enfoque em Psidium cattleianum Sabine L. (Myrtaceae), uma espécie frutífera nativa da Mata Atlântica

Abstract

Os pigmentos vegetais possuem propriedades distintas associadas aos seus cromóforos. Além de desempenharem um papel importante na atração de animais para polinização e dispersão de sementes, esses pigmentos são essenciais para as funções biológicas das plantas e desempenham um papel fundamental nos ecossistemas. Os carotenóides são compostos lipossolúveis de tetraterpenoides, responsáveis pelas cores que variam do amarelo ao vermelho em frutas, vegetais, fungos e flores. Além disso, também atuam como precursores de fitohormônios, como o ácido abscísico (ABA) e as estrigolactonas. A enzima fitoeno sintase (PSY) desempenha um papel crucial na biossíntese dos carotenóides, sendo considerada limitante para a produção desses compostos, pois ao variar sua expressão, ou atividade, irá alterar o fluxo através da via. Devido a essa característica a enzima possuí grande importância com relação ao conteúdo de carotenóides dos diferentes frutos. A composição e a abundância de pigmentos naturais presentes nas frutas variam entre as espécies de plantas, determinando suas diferentes cores. A espécie Psidium cattleianum Sabine, pertencente à família Myrtaceae, apresenta um fato curioso, a ocorrência de plantas com frutos amarelos e plantas com frutos vermelhos. A análise de famílias gênicas em todo o genoma utiliza diversas ferramentas de bioinformática, o que permite uma forma eficaz de elucidar a estrutura e função dos membros do gene, além de facilitar a compreensão da evolução do genoma. O principal objetivo do presente estudo foi Identificar, através de análises genômicas e transcriptômicas, possíveis genes envolvidos na biossíntese de carotenóides de Psidium cattleianum Sabine L. família Myrtaceae, verificando as possíveis diferenças moleculares existentes entre os dois morfotipos vermelho e amarelo; e ainda, investigar os mecanismos evolutivos envolvidos na diversificação gênica de uma das principais enzimas da via, fitoeno sintase (PSY). O estudo realizado com a família gênica da enzima fitoeno sintase, contribuiu para o conhecimento sobre a história evolutiva desta família, demonstrando que a prevalência de duplicatas do gene PSY observada nos genomas de plantas é um dos fatores que explica a capacidade de evoluir diferentes perfis de carotenóides associados a circunstâncias ecológicas. Os genes envolvidos na via de biossíntese de carotenóides foram identificados nos dois morfotipos de Psidium cattleianum por meio de análises genômicas e filogenéticas, os quais apresentaram os domínios proteicos característicos. Algumas diferenças foram encontradas entre os dois morfotipos, relacionadas à quantidade de parálogos encontrada para alguns genes da via e ao perfil de expressão. Estes resultados podem ajudar a entender a diferença na composição de carotenóides existente entre os dois morfotipos de P. cattleianum, além de serem de grande relevância para pesquisas futuras que visem aprofundar os mecanismos moleculares envolvidos na via de biossíntese de carotenóides nesta espécie.

Plant pigments possess distinct properties associated with their chromophores. In addition to playing a crucial role in attracting animals for pollination and seed dispersal, these pigments are essential for plant biological functions and play a fundamental role in ecosystems. Carotenoids, lipophilic compounds of tetraterpenoids, are responsible for the yellow to red colors observed in fruits, vegetables, fungi, and flowers. They also serve as precursors for phytohormones such as abscisic acid (ABA) and strigolactones. The enzyme phytoene synthase (PSY) plays a crucial role in carotenoid biosynthesis and is considered a rate- limiting enzyme to the production of these compounds. Variations in PSY expression or activity can alter the flow of carotenoid biosynthesis. Due to this characteristic, the enzyme holds great importance regarding the carotenoid content of different fruits. The composition and abundance of natural pigments in fruits vary among plant species, determining their distinct colors. Psidium cattleianum Sabine, a species belonging to the Myrtaceae family, presents an interesting fact with the occurrence of plants with yellow fruits and plants with red fruits. Genome-wide analysis of gene families employs various bioinformatics tools, providing an effective means to elucidate the structure, function, and evolutionary aspects of genes. The main objective of this study was to identify potential genes involved in carotenoid biosynthesis in Psidium cattleianum Sabine L., a member of the Myrtaceae family, and investigate molecular differences between the red and yellow morphotypes. Additionally, the study aimed to explore the evolutionary mechanisms underlying the diversification of the pathway key enzyme, phytoene synthase (PSY). The investigation of the phytoene synthase gene family contributed to our understanding of its evolutionary history, demonstrating that the prevalence of PSY gene duplicates observed in plant genomes is one of the factors that explain the capacity to evolve different carotenoid profiles associated with ecological circumstances. Genes involved in the carotenoid biosynthesis pathway were identified in the two morphotypes of P. cattleianum through genomic and phylogenetic analyses, showing the characteristic protein domains. Some differences were found between the two morphotypes, related to the quantity of paralogs found for certain genes in the pathway and, related to the expression profile of some genes. These findings can help to understand the difference in carotenoid composition between the two morphotypes of P. cattleianum, and they are also of great relevance for future research aiming to deepen the molecular mechanisms involved in the carotenoid biosynthesis pathway in this species.