Exploring an artificial chromoplast system for enrichment of plant leaves in isoprenoid vitamins

Resum

Els isoprenoides són una de les famílies més gran de metabòlits en la naturalesa i són especialment diversos en el regne vegetal. Entre ells, els carotenoides, els tocoferols i la filoquinona tenen un interès especial pel seu paper com vitamines. Les plantes sintetitzen aquests compostos en cloroplasts per contribuir a la fotosíntesi i fotoprotecció. En el cas dels carotenoides, els seus nivells més alts es troben en plastidis especialitzats anomenats cromoplastos, que es troben típicament en òrgans pigmentats no verds com pètals de flors i fruits madurs, però només ocasionalment en fulles. L’objectiu general d’aquesta tesi ha estat provar noves estratègies per a l’enriquiment de verdures en vitamines isoprenoides a través d’un sistema desenvolupat en el nostre laboratori per induir la conversió de cloroplasts en cromoplastos en fulls. L’eina es basa en la gran capacitat de l’enzim crtB del bacteri Pantoea ananatis per produir fitoe i la capacitat de les fulles per convertir aquest fitoe addicional en carotenoides posteriors amb canvis concomitants a la ultraestructura dels plastidis. La disponibilitat d’aquest sistema va permetre definir dos objectius específics: (1) caracteritzar el context fisiològic de l’fenotip induït per crtB en fulls de Nicotiana benthamiana i (2) provar diferents estratègies aprofitant aquest sistema basat en crtB per millorar la biofortificación de fulles. A la primera part de la tesi, vam demostrar que el fenotip no reversible de diferenciació de cloroplast a cromoplast desencadenat per crtB en plastidis s’associa amb una ràpida pèrdua d’activitat fotosintètica causada per l’acumulació de fitoe. Aquest fenomen fa que el cloroplast passi a ser competent per a la cromoplastogénesis. Després, la transició es completa una vegada que el fitoe es converteix en carotenoides posteriors mitjançant enzims endògenes. També vam demostrar que els tractaments que causen un equilibri redox alterat dels fotosistemes i un estrès oxidatiu faciliten la diferenciació dels cromoplastos. A la segona part de la tesi, caracteritzem els canvis estructurals associats amb la diferenciació de cromoplastos intervinguda per crtB en fulls. Durant el procés, els plastoglóbuls augmenten en nombre i mida i s’utilitzen per emmagatzemar fitoe i altres isoprenoides, inclosos β-carotè (provitamina A), tocoferols (vitamina E) i filoquinona (de vitamina K). Els plastoglobuls són el lloc de localització i acció de la proteïna crtB i vam demostrar que les condicions que estimulen la proliferació de plastoglóbuls (com la llum intensa) es poden utilitzar per promoure encara més l’acumulació de vitamines isoprenoides. Els nostres resultats mostren que la combinació de crtB amb gens involucrats en la biosíntesi d’aquestes vitamines pot augmentar encara més els seus nivells. Finalment, vam mostrar que β-carotè es pot acumular encara més combinant la cromoplastogénesis intervinguda per crtB amb una via extraplastidial sintètica. També vam demostrar que les optimitzacions de sistema crtB es poden aplicar per biofortificar vegetals de verdures com l’enciam, contribuint així a el desenvolupament de nous aliments.

Data del Ajut	17 de set. 2021
Idioma original	Anglès
Supervisor	Benet Gunse Forcadell (Tutor/a)