Análise da ascorbato oxidase em fabaceae: uma abordagem evolutiva e funcional

Abstract

A Ascorbato oxidase (AAO) é uma enzima da família das multicobre oxidases, que catalisa a oxidação do ácido ascórbico (AA), o principal antioxidante no espaço apoplástico das plantas, em dehidroascorbato (DHA). O AA é a principal molécula antioxidante presente no apoplasto, que por sua vez, é constituído pelo espaço intercelular, paredes celulares e xilema, e atua como barreira primária entre as células e o ambiente externo. Devido à regulação da oxidação do AA, a AAO é essencial para manter o estado redox do apoplasto e sua relação com várias situações fisiológicas e de estresses já foi demonstrada. No entanto, estudos evolutivos e funcionais sobre a enzima AAO na família de plantas Fabaceae ainda são escassos. A família de plantas Fabaceae inclui plantas com alto valor nutricional e econômico, como a soja, o feijão e a ervilha. Portanto, este trabalho teve como objetivo identificar e caracterizar os genes que codificam as proteínas AAO em espécies de Fabaceae, visando contribuir para a compreensão da evolução e função dessa família gênica. Para isso, foi realizada a análise de filogenia dos genes AAO em Fabaceae, a análise da estrutura gênica, bem como análise de motivos proteicos conservados. A região promotora dos genes AAO de Glycine max foi investigada a fim de identificar elementos cis-reguladores; e dados de expressão gênica in silico foram analisados durante situações de estresses bióticos e abióticos. Nossos resultados demonstraram uma conservação significativa da família de genes de AAO em todas as 21 espécies de Fabaceae que foram utilizadas nas análises. A análise filogenética dividiu os genes AAO de Fabaceae em dois grupos bem suportados, indicando que esses genes se originaram a partir de uma duplicação gênica que ocorreu antes da origem dessa família. A análise da estrutura gênica revelou a alta conservação dos genes AAO em Fabaceae e categorizou as sequências em dois grupos distintos. Além disso, a análise de novo de motivos revelou dez motivos conservados em quase todas as sequências de AAO. Os dados de localização cromossômica para os genes AAO de G. max e Glycine soja revelaram uma distribuição gênica altamente semelhante em todo o genoma. Na análise da região promotora dos genes AAO de G. max, identificamos motivos de ligação para Fatores de Transcrição (TFs) associados a vários cenários biológicos, incluindo desenvolvimento, crescimento e respostas a estresses bióticos e abióticos. Além disso, as análises de expressão gênica in silico revelaram variabilidade substancial nos perfis de expressão gênica de AAO sob diferentes estressores ambientais, destacando o papel funcional dinâmico da AAO durante as respostas a estresses bióticos e abióticos. Nossas investigações contribuíram para a identificação de múltiplos homólogos da AAO em diversas espécies pertencentes à família Fabaceae, proporcionando, assim, um aprimoramento significativo em nossa compreensão dos papéis funcionais desempenhados por essa família gênica.

Abstract: Ascorbate oxidase (AAO) is an enzyme from the multicopper oxidase family, which catalyzes the oxidation of ascorbic acid (AA), the main antioxidant in the apoplastic space of plants, into dehydroascorbate (DHA). AA is the main antioxidant molecule present in the apoplast, which in turn is made up of the intercellular space, cell walls and xylem, and acts as a primary barrier between cells and the external environment. Due to the regulation of AA oxidation, AAO is essential for maintaining the redox state of the apoplast and its relationship with various physiological and stress situations has already been demonstrated. However, evolutionary, and functional studies on the AAO enzyme in the Fabaceae plant family are still scarce. The Fabaceae plant family includes plants with high nutritional and economic value, such as soybeans, beans and peas. Therefore, this work aimed to identify and characterize the genes that encode AAO proteins in Fabaceae species, aiming to contribute to the understanding of the evolution and function of this gene family. To this end, a phylogeny analysis of the AAO genes in Fabaceae, an analysis of the gene structure, as well as an analysis of conserved protein motifs were carried out. The promoter region of the AAO genes of Glycine max was investigated in order to identify cis-regulatory elements; and in silico gene expression data were analyzed during biotic and abiotic stress situations. Our results demonstrated significant conservation of the AAO gene family across all 21 Fabaceae species that were used in the analyses. Phylogenetic analysis divided the AAO genes of Fabaceae into two well-supported groups, indicating that these genes originated from a gene duplication that occurred before the origin of this family. Gene structure analysis revealed the high conservation of AAO genes in Fabaceae and categorized the sequences into two distinct groups. Furthermore, de novo motif analysis revealed ten conserved motifs in almost all AAO sequences. Chromosomal location data for the AAO genes of G. max and Glycine soja revealed a highly similar gene distribution across the genome. In the analysis of the promoter region of the G. max AAO genes, we identified binding motifs for Transcription Factors (TFs) associated with various biological scenarios, including development, growth, and responses to biotic and abiotic stresses. Furthermore, in silico gene expression analyzes revealed substantial variability in AAO gene expression profiles under different environmental stressors, highlighting the dynamic functional role of AAO during responses to biotic and abiotic stresses. Our investigations contributed to the identification of multiple AAO homologues in several species belonging to the Fabaceae family, thus providing a significant improvement in our understanding of the functional roles played by this gene family.