Implicación de la gliceraldehido-3-fosfato deshidrogenasa y de la 3-fosfoserina fosfatasa en el metabolismo y desarrollo de arabidopsis

Resumen

Los plastos son orgánulos clave en el metabolismo vegetal. En ellos se realizan muchas de las actividades esenciales de las plantas que van desde la fotosíntesis hasta la biosíntesis de aminoácidos, ácidos grasos o reguladores del crecimiento. Sin embargo, la regulación del metabolismo plastidial y su integración con el metabolismo celular y con el desarrollo de la planta es muy poco conocida. Esta tesis doctoral, se ha centrado en el estudio de dos rutas del metabolismo primario plastidial, la glicolisis y la ruta fosforilativa de biosíntesis de serina. Concretamente se han caracterizado la enzima glicolítica gliceraldehido 3-fosfato deshidrogenasa (GAPCp) y la enzima fosfoserina fosfatasa (PSP) que participa en la última reacción de la ruta fosforilativa. La GAPCp cataliza la conversión de gliceraldehido-3-fosfato en 1,3-bisfosfoglicerato. Mediante un abordaje de ganancia y pérdida de función en Arabidopsis, se demostró que la falta de actividad de esta enzima causa un fenotipo de esterilidad masculina y una parada del desarrollo de la raíz. El polen del doble mutante gapcp1gapcp2 de Arabidopsis presenta formas aberrantes y es incapaz de germinar en ensayos in vitro. Las alteraciones en el desarrollo del polen se atribuyeron a una desorganización del tapete. La fertilidad de gapcp1gapcp2 se reestableció expresando en este mutante el cDNA del gen GAPCp1 bajo el control de su propio promotor (pGAPCp1::GAPCp1c). Por el contrario, la expresión del cDNA de los genes GAPCp1 o GAPCp2 bajo el control del promotor 35S (p35S::GAPCp), que presenta niveles muy bajos de expresión en el tapete, no complementó la fertilidad del doble mutante gapcp1gapcp2. Tampoco complementaron la fertilidad del mutante gapcp1gapcp2, isoformas mutadas de la GAPCp que presentaban alteraciones de su actividad catalítica, confirmándose que la expresión y actividad catalítica de GAPCp en anteras, es necesaria para la maduración y el correcto desarrollo del polen. El uso de marcadores de distintos tipos celulares permitió señalar a las células iniciales de la epidermis como responsables de las alteraciones del desarrollo de la raíz en el doble mutante gapcp1gapcp2. La biosíntesis de serina en plantas se realiza principalmente por dos rutas metabólicas: la ruta del glicolato asociada a la fotorrespiración, y la ruta fosforilativa, en la que la enzima PSP es responsable de la desfosforilación de la fosfoserina. El mutante homozigótico psp1.1 de Arabidopsis mostró un fenotipo de letalidad del embrión, lo que pone de manifiesto que la ruta fosforilativa es esencial en las plantas. La expresión del cDNA de PSP tanto bajo el control del promotor 35S (p35S::PSP1) como de su propio promotor (pPSP::PSP1) recuperó plantas psp1.1psp1.1 viables aunque solo el promotor endógeno de PSP permitió recuperar plantas fértiles. En este sentido, y como ya fue constatado para GAPCp, el análisis de las líneas transgénicas reveló una función esencial del gen PSP para el correcto desarrollo y viabilidad de los granos de polen. Además, ensayos histoquímicos en plantas que expresan la construcción pPSP::GUS muestran que el gen PSP se expresa fundamentalmente en tejidos y órganos no fotosintéticos, como el ápice radicular y los tejidos vasculares de las raíces y las anteras. Por otra parte, el empleo de mutantes psp1.1psp1.1 condicionales permitió estudiar la función del gen PSP durante el desarrollo vegetativo de la planta. Se ha demostrado que la expresión de PSP también es necesaria para el correcto desarrollo de la raíz, al igual que sucedía con GAPCp1. Finalmente, una estrategia basada tanto en el silenciamiento de PSP por microRNAs artificiales (amiRNAs) como en el estudio de plantas que sobreexpresan dicho gen, ha proporcionado las primeras evidencias de que la ruta fosforilativa de biosíntesis de serina está involucrada en la respuesta de las plantas al estrés abiótico. Esta tesis doctoral pone de manifiesto el importante papel que juegan las enzimas GAPCp y PSP en el metabolismo de las plantas, y proporciona las primeras evidencias acerca de la implicación de los genes GAPCp y PSP en los mecanismos que conectan el metabolismo con el desarrollo en Arabidopsis.