Morfogênese in vitro, transformação genética, clonagem e superexpressão de genes da rota biossintética de carotenóides em citros

Abstract

Há muito tempo que as características relacionadas à coloração do fruto e sua qualidade nutricional têm sido consideradas desejáveis para manipulação em citros. Entretanto, a produção de novas cultivares dessas plantas tem sido limitada pelos vários obstáculos que impedem o seu melhoramento genético. A biotecnologia, por meio das técnicas de cultura de tecidos e transformação genética de plantas, surge como uma opção viável para contornar esse problema. Os objetivos do presente estudo foram isolar e caracterizar alguns genes envolvidos na rota biossintética de carotenóides de Citrus paradisi (Macf.) e desenvolver metodologias de regeneração in vitro e transformação genética para manipulação dessa rota biossintética em citros, visando alterar o conteúdo de provitamina A, a coloração do fruto e o porte das plantas. Utilizando-se a técnica de RT-PCR, as seqüências de cDNAs dos genes da sintase do fitoeno (AF152892), desaturase do fitoeno (AF364515), desaturase do ζ-caroteno (AF372617), ciclase-β do licopeno (AF152246) e ciclase-ε do licopeno (AF486650) foram isoladas de C. paradisi. Em geral, essas seqüências apresentaram elevada homologia aos genes correspondentes em tomate, com identidade de 72-83% em nível de aminoácidos. Dois ou mais transcritos diferentes foram identificados para três dos cinco genes caracterizados nesse estudo. Em cada caso, um ou mais transcritos foram considerados aberrantes, em que a produção de polipeptídeos não-funcionais foi predita. Estudos de expressão gênica revelaram que a maioria dos genes isolados é transcricionalmente regulada durante o desenvolvimento do fruto. No entanto, a diferenciação da coloração do fruto entre as cultivares de C. paradisi pode ser causada por mutações na seqüência aberta de leitura e não por regulação transcricional diferencial, sendo a desaturase do fitoeno e/ou ciclase-ε do licopeno os genes candidatos pelas diferenças observadas. Na avaliação da morfogênese in vitro de tecidos derivados de epicótilos de limão ‘Cravo’ (C. limonia Osb.), pomelo ‘Foster’ (C. paradisi Macf.) e laranja ‘Pêra’ [C. sinensis (L.) Osb.], verificou-se diferentes respostas às condições de cultivo in vitro em função da cultivar, da região do epicótilo utilizada como fonte de explantes, da composição do meio de cultura e das condições de incubação. Um sistema eficiente de transformação genética via Agrobacterium tumefaciens foi desenvolvido para C. paradisi, examinando-se os efeitos de seis fatores na eficiência de transformação. A pré- cultura dos explantes e a composição do meio de co-cultivo foram os fatores que mais influenciaram a eficiência de transformação. O protocolo otimizado foi empregado na produção de plantas transgênicas contendo os genes da sintase do fitoeno, desaturase do fitoeno ou ciclase-β do licopeno sob expressão constitutiva.

Fruit color and its nutritional value have been considered desirable for manipulation in citrus for a long time. However, citrus breeding has been limited due to several factors that hinder its genetic improvement. Plant biotechnology appears to be a viable option for the improvement of citrus species by means of the plant tissue culture and genetic transformation techniques. The objectives of this study were to isolate and characterize some genes involved in the carotenoid biosynthetic pathway of Citrus paradisi (Macf.) and to develop protocols of in vitro regeneration and genetic transformation for manipulation of this pathway in citrus, aiming to change the provitamin A content, fruit color, and plant height. By using the RT-PCR technique, the cDNA sequences of the genes phytoene synthase (AF152892), phytoene desaturase (AF364515), ζ-carotene desaturase (AF372617), lycopene β-cyclase (AF152246), and lycopene ε-cyclase (AF486650) were isolated from C. paradisi. In general, they were highly homologous to the corresponding tomato genes at the amino acid level, with identity ranging from 72-83%. Two or more different transcripts were identifyed for three of the five genes characterized in this study. In each case, one or more of the transcripts were aberrant, so that the production of a nonfunctional protein would be predicted. The expression analysis of the isolated carotenoid biosynthetic genes indicated complex expression patterns during fruit development. However, the fruit color differentiation between the grapefruit cultivars may be caused by frame-shift mutation and not by differential transcriptional regulation, with phytoene desaturase and/or lycopene ε-cyclase being the candidate genes for fruit color differences. The in vitro responses of epicotyl explants from ‘Cravo’ rangpur lime (Citrus limonia Osb.), ‘Foster’ grapefruit (C. paradisi Macf.), and ‘Pêra’ sweet-orange [C. sinensis (L.) Osb.] varyed according to cultivar, region of the epicotyl used as source of explant, culture medium composition, and incubation conditions. An improved protocol for Agrobacterium-mediated transformation of epicotyl explants from ‘Duncan’ grapefruit was developed by examining the effects of six different factors on the efficiency of transformation and combining the best treatments for each factor. The preculturing of the explants and the composition of the cocultivation medium were the factors that most influenced transformation efficiency. The optimized protocol was successfully employed in the production of transgenic grapefruit plants containing the carotenoid biosynthetic genes phytoene synthase, phytoene desaturase, or lycopene β-cyclase under constitutive expression.