Análise bioquímica e proteômica durante a indução e regeneração de culturas nodulares em Vriesea reitzii Leme & A. Costa

Abstract

Além da sua importância ecológica, as bromélias têm reconhecido valor paisagístico na indústria ornamental no mundo inteiro. Técnicas de cultura de tecidos compreendem um conjunto de ferramentas aplicáveis para a conservação e propagação em larga escala. Um padrão de resposta da morfogênese in vitro definido como culturas nodulares (CNs), com características diferenciadas a dos sistemas regenerativos tradicionais, tem sido observado nas bromélias. As CNs são aglomerados globulares meristemáticos de coloração verde clara e de textura friável ou levemente compacta, que apresentam um elevado potencial regenerativo. No presente trabalho objetivou-se identificar marcadores associados aos eventos celulares que acontecem durante a aquisição e desenvolvimento das CNs em Vriesea reitzii, visando ampliar o conhecimento a respeito da rota morfogenética das CNs nas bromélias. Foram usadas sementes de frutos coletados em plantas localizadas no município de Curitibanos (Santa Catarina-Brasil), bases foliares de brotos jovens e CNs mantidas na coleção in vitro do Laboratório de Fisiologia do Desenvolvimento e de Genética Vegetal da Universidade Federal de Santa Catarina. Foram realizadas análises proteômicas mediante a combinação de géis bidimensionais e espectrometria de massas, durante a indução de CNs a partir de bases foliares e sementes, e durante a regeneração de brotos, mediante a avaliação de três estádios de desenvolvimento: CNs, microbroto e broto. Adicionalmente, foram realizadas avaliações do padrão de proteínas, amido, carboidratos e do nível de metilação global, durante a indução de CNs a partir de sementes. Os resultados obtidos indicam que o processo de indução de CNs resulta de uma reprogramação gênica no explante, que leva a expressão significativa de determinadas proteínas, acompanhada de alterações morfológicas, bioquímicas e metabólicas. Concomitantemente, apresenta-se uma dediferenciação e elevada proliferação celular, com elevada demanda energética. Explantes (bases foliares e sementes) em meio de indução apresentam conteúdo de proteína e número de proteínas expressas maior, quando comparados aos explantes em meio controle (sem regulador). Proteínas envolvidas nos processos de resposta ao estresse, metabolismo e divisão celular apresentam significativas alterações na sua expressão durante a indução das CNs. Avaliações bioquímicas e epigenéticas durante a indução de CNs a partir de sementes revelaram uma diminuição significativa no conteúdo de amido, carboidratos e no nível de metilação global de DNA, quando comparados com sementes mantidas em meio sem fitoregulador. Durante a regeneração de brotos a partir das CNs, alterações na expressão de proteínas associadas aos processos metabólicos, ao mecanismo fotossintético, à resposta ao estresse do meio e à dinâmica do citoesqueleto celular, contribuem no elevado potencial regenerativo que caracteriza as CNs. Proteínas relacionadas à resposta ao estresse e ao metabolismo de aminoácidos e proteínas apresentaram maiores expressões nos estádios de CNs e microbroto, e as proteínas relacionadas com o metabolismo de carboidratos e síntese de ATP têm maior expressão no estádio de broto. Os resultados a partir das análises propostas representam um avanço a uma melhor compreensão da rota morfogenética das CNs.<br>

Abstract : In addition to their ecological role, bromeliads have recognized landscape value in the ornamental industry worldwide. Tissue culture techniques comprise a set of tools for preservation and propagation in large scale. A pattern of morphogenic response defined as nodular cluster cultures (NCs) with different characteristics to the traditional regenerative systems, has been described in bromeliads. NCs are organogenic nodule clusters, from green-yellowish to translucent, with a friable or slightly compact texture, and high regenerative potential. This work aimed to identify markers associated with cellular events that take place during the acquisition and development of NCs in Vriesea reitzii, to enhance understanding about the morphogenetic route of NCs in bromeliads. Seeds used were collected from plants located in the Curitibanos city (Santa Catarina, Brazil), leaf bases of young shoots and NCs kept in the in vitro collection of Laboratório de Fisiologia do Desenvolvimento e de Genética Vegetal of Universidad Federal de Santa Catarina. Proteomic analyzes were performed by combining two-dimensional gels and mass spectrometry during the induction of NCs from leaf and seeds bases, and during regeneration, by evaluating three development stages: NCs, microshoots, shoots. Additionally, assessments were carried protein, starch, carbohydrates and global methylation level during the induction NCs from seeds. The results indicate that NCs induction process results in reprogramming of gene explant, which leads to significant expression of certain proteins, accompanied by morphological, biochemical and metabolic alterations. Concomitantly, it presents dedifferentiation and high cell proliferation, with high energy demand. Explants (leaf and seeds) in induction medium have protein content and number of expressed proteins greater as compared to the explants in medium control (without regulator). Proteins involved in the response processes to stress, metabolism and cell division show significant changes in expression during induction of NCs. Biochemical and epigenetic assessments during NCs induction from seeds, revealed a significant decrease in starch content, carbohydrates and levels of global DNA methylation, compared with seeds maintained in medium without fitoregulador. During the regeneration of shoots from the NCs, changes in proteins related to cellular metabolic processes, the assembly of the photosynthetic mechanism, the response to the medium culture stressful and the dynamics of the cell cytoskeleton contribute to a high regenerative potential, which characterizes NCs. Proteins related to stress response and metabolism of amino acids and proteins showed had higher expressions in NCs and microshoots stages, and proteins related to carbohydrate metabolism and ATP synthesis had a higher expression in shoot stage. The results represent a step forward to a better comprehension of NCs morphogenetic route.