Relações coordenadas entre ciclo TCA e ciclo celular em células específicas em resposta ao alumínio em Arabidopsis thaliana

Abstract

A maioria dos estudos demonstrando os mecanismos pelos quais as plantas resistem à presença do alumínio (Al) estão associados à contribuição de ácidos orgânicos (AOs). Com efeito, pouco ou nada parece ter sido explorado acerca de como células radiculares específicas modulam sua expressão gênica para lidar com tal condição. Não obstante, trabalhos anteriores revelam que, na presença de Al, uma resposta central é a reprogramação do ciclo dos ácidos tricarboxílicos (ciclo TCA). Ademais, agentes genotóxicos, incluindo o Al, induzem pausas no ciclo celular para que as células tenham tempo para reparar o DNA danificado e não transmiti-lo às células- filha. No entanto, pouco ou nada se sabe acerca de como o Al conecta o reparo do DNA ao metabolismo mitocondrial, bem como e em que extensão essa conexão impacta nas divisões celulares na presença do Al. Portanto, o presente estudo avaliou aspectos chaves dos ciclos TCA e celular em Arabidopsis thaliana, em um nível pós-transcricional e célula-específico de expressão gênica, responsáveis por conferir resistência ao Al. Buscou-se, também, investigar se o perfil de metabólitos na raiz inteira está mais intimamente correlacionado às análises de expressão gênica observadas nas células corticais, comprometidas com a proteção do órgão, ou nas células do centro quiescente, comprometidas com a sobrevivência e a manutenção da identidade das demais células. Para tanto, foram utilizadas plantas de Arabidopsis thaliana expressando a construção p:GFP-FLAG-RPL18, e com promotores individuais (i) Cauliflower mosaic virus 35S (p35S:FLAG-RPL18), quase constitutivo; (ii) plastid endopeptidase (pPEP:FLAG-RPL18), específico do córtex radicular das zonas de alongamento e maturação; e (iii) SCARECROW (pSCR:FLAG-RPL18), específico do centro quiescente e endoderme radicular. Os resultados ora obtidos apontam que, nas linhas transgênicas p35S e pSCR, a presença de Al alterou a expressão de genes envolvidos com o ciclo celular, ao passo que foram verificadas alterações na expressão de genes envolvidos com o ciclo TCA em todas as linhas, especialmente na pPEP. Tais resultados estão em consonância com as mudanças verificadas nas três linhas no que tange ao perfil de metabólitos, destacadamente o de AOs. Em adição, ao se investigar o translatoma de células com identidades distintas, foi possível observar que: (i) a expressão gênica é, aparentemente, regulada diferencialmente de acordo com essa identidade (status de diferenciação celular, função celular, etc.) e (ii) a expressão gênica célula-específica,particularmente em células indiferenciadas (centro quiescente e endoderme) e diferenciadas (zona cortical das regiões de alongamento e maturação) explica, em larga extensão, como plantas de Arabidopsis respondem à presença de Al mediante uma reprogramação da expressão gênica em grupos específicos de células radiculares. Tomados em conjunto, estes resultados sugerem uma alta plasticidade, a nível metabólico e de expressão gênica célula-especifica, como importante componente das respostas ao Al em Arabidopsis thaliana. Palavras-chave: Alumínio. Translatoma. Célula-específico. Ciclo TCA. Ciclo celular.

Although compelling evidence demonstrate the mechanisms by which plants cope with aluminum (Al), mostly associated with the contribution of organic acids (OAs), little is currently known concerning how specific root cells modulate their gene expression in response to such condition. It has been previously demonstrated that, in the presence of Al, a central response is the reprogramming of the tricarboxylic acid cycle (TCA cycle). In addition, genotoxic agents, including Al, usually induces cell cycle arrest so that the cells have time to repair the damaged DNA and do not transmit it to daughter cells. This fact aside, little or nothing is known about how Al connects DNA repair to mitochondrial metabolism, as well as and to what extent this connection interferes with cell divisions in the presence of Al. Here, we evaluated key aspects of both the TCA cycle and the cell cycle in Arabidopsis thaliana, at the post-transcriptional and cell-specific levels of gene expression, responsible for conferring Al resistance. We further aimed at investigating whether whole root metabolite profile is more closely correlated to gene expression observed in cortical cells, compromised with the organ protection, or in the quiescent center cells, compromised with the survival and identity maintenance of the other cells. To this end, we used transgenic Arabidopsis plants expressing tagged ribosomes, specifically, the constructs harboring coding sequences of direct cell-type specific expression of FLAG-tagged ribosomal protein L18 (RPL18) that are under the control of (i) cauliflower mosaic virus 35S promoter (p35S - near constitutive), (ii) SCARECROW (pSCR – targeting cells at root endodermis and quiescent center), and (iii) endopeptidase (pPEP – targeting cells at root cortex elongation and maturation zone). Our results demonstrated that in the presence of Al changes in the expression of genes involved in the cell cycle in both p35S and pSCR transgenic lines were observed, whereas changes in the expression of TCA cycle related genes were verified in all lines, especially in pPEP. These results are in good agreement with the changes in the metabolite profile verified in all lines, especially in OAs. By further analysing the translatome of cells with different identities, we observe that: (i) gene expression is, apparently, differently regulated according to cell identity (cell differentiation status, cell function, etc.) and (ii) cell-specific gene expression, particularly in undifferentiated cells (quiescent center and endoderm) and differentiated cells (cortical zone of elongation andmaturation regions) explains, to a large extent, how Arabidopsis respond to the presence of Al by reprogramming the gene expression in specific groups of root cells. Collectively, these results suggest a high plasticity, at the metabolic level and of cell-specific gene expression, as important players of the responses to Al in Arabidopsis thaliana. Keywords: Aluminum. Translatome. Cell-specific. TCA cycle. Cell cycle