Regulação da radiação na fotoproteção em Phaeodactylum tricornutum (Bacillariophyceae)

Abstract

O potencial biotecnológico das diatomáceas é cada vez mais reconhecida devido à produção de compostos de interesse, entre eles a fucoxantina por exemplo, utilizada na indústria alimentícia, farmacêutica e na aquicultura, devido aos seus benefícios nutracêuticos. Dentre as diatomáceas, Phaeodactylum tricornutum se destaca por ser um organismo-modelo para explorar processos fotobiológicos fundamentais e que levam à produção deste composto. Investigar como diferentes doses de energia luminosa afetam os mecanismos de captação da luz, eficiência fotossintética e fotoproteção, é crucial para entender como as radiações fotossinteticamente ativa (PAR) e ultravioleta (UVR) influenciam o crescimento e outras atividades metabólicas em P. tricornutum. Nenhum primeiro trabalho foi utilizado a Lei de Bunsen-Roscoe para determinação de diferentes doses de energia luminosa (irradiância x fotoperíodo) somente com PAR. Maiores concentrações de clorofila-a, fucoxantina e diadinoxantina foram influenciadas pela baixa irradiância, enquanto os parâmetros de fluorescência, a diatoxantina e os genes que regulam o ciclo das xantofilas foram potencializados pelas maiores doses de energia luminosa. Além disso, foi encontrado um padrão de transcrição entre as isoformas dos genes zeaxantina epoxidase (ZEP1 e ZEP2) assim como as isoformas dos genes violaxantina de-epoxidase-like (VDL1 e VDL2). Este estudo demonstrou que tanto as doses quanto as irradiâncias afetam as respostas de fotoproteção e fotoaclimatação. No segundo trabalho, a mesma Lei foi aplicada, mas para UVR. O aumento da dose de UVR apresentou efeitos negativos nas interrupções de fotossíntese e no teor dos pigmentos envolvidos no processo de captação de luz. A diatoxantina e o aumento na regulação dos níveis de transcrição dos genes VDE, VDL1 e VDL2, promoveu uma tentativa de ativar mecanismos de fotoproteção, proporcionando uma modificação na capacidade de P. tricornutum em responder ao estresse luminoso. Estudar a regulação dos mecanismos de fotoproteção a nível fisiológico e molecular da biossíntese de fucoxantina em P. tricornutum é de grande importância para a otimização da produção desse pigmento de alto valor comercial. À medida que o conhecimento sobre a produção de carotenoides se expande, novas estratégias de cultivo podem ser desenvolvidas para maximizar a produção desse composto natural com potencial biotecnológico.

Abstract: The biotechnological potential of diatoms is increasingly recognized due to the production of compounds of interest, including fucoxanthin, for example, which is used in the food, pharmaceutical, and aquaculture industries due to its nutraceutical benefits. Among diatoms, Phaeodactylum tricornutum stands out as a model organism for exploring fundamental photobiological processes that lead to the production of this compound. Investigating how different light energy doses affect light capture mechanisms, photosynthetic efficiency, and photoprotection is crucial to understand how photosynthetically active radiation (PAR) and ultraviolet radiation (UVR) influence the growth and other metabolic activities in P. tricornutum. In the first study, the Bunsen-Roscoe Law was used to determine different light energy doses (irradiance x photoperiod) with only PAR. Higher concentrations of chlorophyll-a, fucoxanthin, and diadinoxanthin were influenced by low irradiance, while fluorescence parameters, diatoxanthin, and genes regulating the xanthophyll cycle were enhanced by higher light energy doses. Additionally, a transcription pattern was found among the isoforms of zeaxanthin epoxidase genes (ZEP1 and ZEP2) as well as in the isoforms of violaxanthin de-epoxidase-like genes (VDL1 and VDL2). This study demonstrated that both doses and irradiance levels affect photoprotection and photoacclimation responses. In the second study, the same Law was applied, but for UVR. Increasing UVR dose had negative effects on photosynthesis parameters and the content of pigments involved in the light capture process. Diatoxanthin and the upregulation of transcript levels of VDE, VDL1, and VDL2 genes promoted an attempt to activate photoprotection mechanisms, suggesting a modification in P. tricornutum capacity to respond to light stress. Studying the regulation of photoprotection mechanisms at the physiological and molecular levels of fucoxanthin biosynthesis in P. tricornutum is of great importance for optimizing the production of this high-value commercial pigment. As knowledge about carotenoid production expands, new cultivation strategies can be developed to maximize the production of this naturally occurring compound with biotechnological potential.