Padrão evolutivo de famílias gênicas ácido fosfatídico fosfatase (PAP) em Viridiplantae : seu potencial papel na adaptação de plantas a ambientes heterogêneos

Abstract

A sobrevivência das plantas em diferentes ambientes exige que elas sejam altamente tolerantes ou desenvolvam capacidades adaptativas a condições estressantes, onde os lipídios são importantes sinalizadores moleculares e remodeladores fisiológicos, fornecendo proteção, vigor e respondendo à adaptação das plantas. As enzimas PAP (LPP e LIPIN) são conhecidas por sua atividade enzimática como fosfatases, atuando como sinalizadores moleculares ou contribuindo diretamente para a síntese lipídica. Interessantemente, embora as LPPs e LIPINs sejam similares, elas possuem particularidades, sendo diferenciadas por sua localização celular, seletividade do substrato e propriedades físico-químicas. Este estudo visa explorar aspectos evolutivos e funcionais de LPPs e LIPINs através de uma abordagem genômica e filogenética, a fim de entender a diversidade atual de parálogos e ortólogos dessas famílias de genes. No primeiro capítulo focamos na história evolutiva das LPPs para entender sua origem e diversificação. Nesse estudo identificamos 665 genes LPPs em 79 espécies, incluindo procariotos e eucariotos de diversos grupos taxonômicos. A análise filogenética de máxima verossimilhança (ML) revelou a origem ancestral dos genes LPPs em espécies de divergência precoce, arqueas e cianobactérias. A filogenia é organizada em cinco clados bem resolvidos: I (LPPα1-4), II (LPPβ), III (LPPδ), IV (LPPγ) e V (LPPε1/ε2). Cada clado mostra conservação na localização e função subcelular. Nossa investigação sobre se a seleção positiva ou purificadora impulsionou a diversificação do gene LPP, promovendo a adaptação de plantas a ambientes contrastantes, identificou cinco sítios sob seleção positiva ao analisar o clado LPPβ em angiospermas. No capítulo 2 focamos na identificação e caracterização de ambas LPPs e LIPINs em Eugenia uniflora, uma espécie amplamente distribuída na Floresta Atlântica e que têm populações localmente adaptadas em ambientes contrastantes, visando compreender o papel desses genes na adaptação dessa espécie. Identificamos oito genes LPP e dois genes LIPIN em E. uniflora, além de 46 genes LIPIN em outras 23 espécies, majoritariamente em plantas. As relações evolutivas, inferidas por meio de análise de máxima verossimilhança (ML), indicam que a origem da família de genes LIPIN é antiga, remontando a linhagens de algas e plantas. No entanto, duplicações mais recentes são evidentes em estreptófitas, resultando em dois clados primários de angiospermas que correspondem ao evento de duplicação que separa os genes LIPIN1 e LIPIN2. Esses clados são evolutivamente distintos das linhagens parálogas observadas em outras algas, levedura e humanos. Os genes LPP de E. uniflora estão distribuídos nos mesmos cinco clados propostos para a filogenia da família LPP, assim como os genes LIPIN se distribuem nos dois clados propostos. As progênies dessa espécie foram submetidas a condições de seca, o que não influenciou a expressão diferencial (ED) de genes LIPIN, entretanto encontramos cinco genes LPP na população de Restinga com ED, três do Clade I (LPPα1-4) regulados negativamente, e um no Clade III e IV, respectivamente, LPPδ, LPPε1/ε2 regulados positivamente, em condições de seca, enquanto na população da Mata Ciliar, apenas um gene LPP do clade IV foi regulado positivamente. Essas descobertas destacam os traços adaptativos e de diversificação ambiental associados à conservação de genes parálogos em genomas diversos. Em geral, este estudo contribuiu para uma ampla compreensão da evolução da família do gene LPP, com foco em parálogos pouco estudados até o momento, além da identificação e caracterização dessas famílias gênicas em uma espécie nativa e de importância ambiental.

The survival of plants in different environments requires them to be highly tolerant or develop adaptive capacities to stressful conditions, where lipids are important molecular signaling and physiological remodelers, providing protection, vigor, and responding to plant adaptation. The PAP enzymes (LPP and LIPIN) are known for their enzymatic activity as phosphatases, acting as molecular signaling agents or contributing directly to lipid synthesis. Interestingly, although LPPs and LIPINs are similar, they have their particularities, being distinguished by their cellular localization, substrate selectivity, and physicochemical properties. This study aims to explore the evolutionary and functional aspects of LPPs and LIPINs through a genomic and phylogenetic approach, to understand the evolutionary history and current diversity of paralogs and orthologs of these gene families. In the first chapter, we focused on the evolutionary history of LPPs to understand their origin and diversification. In this study, we identified 665 LPP genes in 79 species including prokaryotes and eukaryotes from various taxonomic groups. Maximum likelihood (ML) phylogenetic analysis revealed the ancestral origin of LPP genes in early diverging species, archaea, and cyanobacteria. The phylogeny is organized into five well-resolved clades: I (LPPα1-4), II (LPPβ), III (LPPδ), IV (LPPγ), and V (LPPε1/ε2). Each clade shows conservation in subcellular localization and function. Our investigation into whether positive or purifying selection has driven LPP gene diversification, promoting plant adaptation to contrasting environments, identified five sites under positive selection when analyzing the LPPβ clade in angiosperms. In chapter 2 we focused on the identification and characterization of both LPPs and LIPINs in Eugenia uniflora, a species widely distributed in the Atlantic Forest and which has locally adapted populations in contrasting environments, intending to understand the role of these genes in the adaptation of this species. We identified eight LPP genes and two LIPIN genes in E. uniflora, as well as 46 LIPIN genes in 23 other species, mostly in plants. The evolutionary relationships, inferred through maximum likelihood (ML) analysis, indicate that the origin of the LIPIN gene family is ancient, dating back to algal and plant lineages. However, more recent duplications are evident in streptophytes, resulting in two primary clades of angiosperms that correspond to the duplication event separating the LIPIN1 and LIPIN2 genes. These clades are evolutionarily distinct from the analogous lineages observed in other algae, yeast, and humans. The LPP genes of E. uniflora are distributed in the same five clades proposed for the phylogeny of the LPP family, just as the LIPIN genes are distributed in the two clades proposed. The progenies of this species were subjected to drought conditions, which did not influence the differential expression (DE) of LIPIN genes, however we found five LPP genes in the Restinga population with DE, three from Clade I (LPPα1-4) negatively regulated, and one in Clade III and IV, respectively, LPPδ, LPPε1/ε2 positively regulated, under drought conditions, while in the Riparian Forest population, only one LPP gene from clade IV was positively regulated. These findings highlight the adaptive traits and environmental diversification associated with conserving paralogous genes in diverse genomes. Overall, this study has contributed to a broad understanding of the evolution of the LPP gene family, focusing on paralogues that have been little studied to date, as well as identifying and characterizing these gene families in a native and environmentally important species.