Aproximación proteómica y metabolómica de la producción de metabolitos secundarios en líneas celulares elicitadas de Solanum Lycopersicum

Resumen

RESUMEN El cultivar de tomate MT presenta una serie de características fenotípicas, como un corto ciclo biológico (inferior a 3 meses) y pequeño tamaño (menos de 20 cm), que hacen que sea más adecuado para estudios en laboratorio que otros cultivares de tomate. El objetivo general planteado al iniciar este trabajo fue determinar el comportamiento in vitro del cv. MT, así como llevar a cabo un estudio de los perfiles de metabolitos secundarios y de los patrones de expresión proteica en suspensiones celulares sometidas a la elicitación con MJ, en presencia y en ausencia de dos tipos de ?-CDs: metiladas al azar (CDsM) o hidroxipropiladas al azar (CDsH). El fin último es explorar el potencial de las suspensiones celulares derivadas del cv. MT para utilizar este sistema en la producción de metabolitos con alto valor añadido. Para abordar este objetivo se han utilizado diversas técnicas de análisis cromatográfico (HPLC-MS y GC-MS), electroforético (SDS-PAGE e IEF), citológico (TTC y FDA) y espectrofotométrico (determinaciones de metabolitos y de diversas actividades enzimáticas); también se ha llevado a cabo la microsecuenciación de fragmentos peptídicos por nanoLC ESI MS/MS y se han utilizado las herramientas bioinformáticas correspondientes para el análisis de los resultados. Las suspensiones celulares presentaron una acumulación de compuestos fenólicos y triterpenos máxima durante la fase de crecimiento exponencial. La elicitación de las suspensiones celulares con MJ y CDsM o CDsH, separadamente o en combinación, dio lugar a un aumento de los niveles de isofucosterol, -sitosterol y taraxasterol, si bien los mayores cambios se registraron en los tratamientos con CDsM. Sin embargo, los mayores niveles de fenoles solubles totales se obtuvieron en los tratamientos combinados, sobre todo en el tratamiento CDsM+MJ. Además, ambos elicitores (CDs+MJ) actuaron de forma sinérgica en la producción de ácido cafeico en el medio intracelular, indicando que la naturaleza fisicoquímica de las CDs influyó en su capacidad para estimular la producción de metabolitos y para actuar como agentes secuestrantes. Por otra parte, en los tratamientos de elicitación se observó, en general, una diminución de las actividades enzimáticas peroxidasa, PAL, endoquitinasa y -1,3-glucanasa en presencia de CDsM y un aumento de dichas actividades enzimáticas en presencia de CDsH, en los tratamientos con MJ y, sobre todo, en los combinados (CDs+MJ), lo que indica que las CDs y el MJ son capaces de regular diferencialmente la actividad de estas enzimas. El análisis del proteoma extracelular de las suspensiones celulares mediante separación monodimensional en geles de poliacrilamida y microsecuenciación en las suspensiones elicitadas con CDsM+MJ permitió la identificación de diez fragmentos trípticos cuyas secuencias de aminoácidos mostraron homología con varías proteínas PR de S. lycopersicum, quitinasas, una proteína asociada a la muerte celular biótica y una peroxidasa catiónica. Estas proteínas podrían formar parte de las respuestas de defensa en suspensiones celulares de tomate MT. Además de las proteínas inducidas en el tratamiento de elicitación, se identificaron una serie de proteínas constitutivas, como proteínas PR del tipo PR-1 y PR-5, endoquitinasas, quitinasas, peroxidasas, una proteína inhibidora de endoglucanasas fúngicas específicas de xiloglucano (XEGIP) y otras enzimas hidrolíticas implicadas en la ruptura de xilanos y arabinoxilanos como la LeXYL2 y la ?-L-Arabinofuranosidasa, que pueden estar implicadas en la modificación de la arquitectura de la pared celular durante el crecimiento del cultivo. ABSTRACT The tomato cultivar Micro-Tom displays several phenotypic characteristics such as small size (less than 20 cm) and a reduced life cycle (less than three months), which make it more suitable for laboratory experiments than standard cultivars. The overall objective proposed in this research is to know the in vitro behavior of Micro-Tom as well as analyzing the response of MT cell cultures to elicitation with methyl jasmonate (MJ) and two -cyclodextrins (randomly methylated -cyclodextrins, CDsM, and randomly hydroxypropyl -cyclodextrins, CDsH), alone or in combination, exploring the changes on both secondary metabolite and protein expression patterns that occur in these cell cultures in the presence of these elicitors. To address this objective, a variety of different techniques including: chromatographic (HPLC-MS and GC-MS), electrophoretic (SDS-PAGE and IEF), cytological (TTC and FDA) and spectrophotometric (for the determination of metabolites and enzymatic activities) methods were used. Moreover, tryptic fragments of SDS-PAGE bands of interest were analyzed by nanoLC ESI MS/MS and the LC-ESI-MS/MS spectra submitted to the database-mining tool for protein identification. An accumulation of both phenolic and triterpenoids compounds was seen during the exponential phase of non-elicited cell suspension cultures. Under elicitation conditions, an increase in the levels of isofucosterol, -sitosterol and taraxasterol was observed, although the highest levels of these compounds were found in CDsM-treated cells. In contrast, the highest levels of phenolic compounds were detected in the presence of both elicitors, especially in CDsM+MJ-treated cells. Moreover, both elicitors act synergistically to stimulate the production of caffeic acid in the intercellular medium, suggesting that the physicochemical properties of CDs have a great influence in their ability to induce the production of secondary metabolites and in their metabolite-sequestering properties. On the other hand, a decrease in the enzymatic activities of peroxidase, PAL, endochitinase and -1,3-glucanase was observed in CDsM-treated cells whereas an increase of these enzymatic activities occurred in the presence of CDsH, MJ, and in the combined treatments, indicating that both elicitors are able to differentially regulate the activity of these enzymes. Analysis of the extracellular proteome showed the presence of amino acid sequences homologous to several pathogenesis-related (PR) proteins, a cationic peroxidase, and a biotic cell death-associated protein, which suggests that MJ and CDs could play a role in mediating defense-related gene product expression in MT. Moreover, several constitutive proteins were also identified such as PR 1 and 5 proteins, endochitinases, chitinases, peroxidases, an inhibitor protein of xyloglucan-specific fungal endoglucanase (XEGIP), and other hydrolytic enzymes like LeXYL2 and L-arabinofuranosidase, which are cell wall-degrading enzymes involved in the breakdown of xylans and arabinoxylans, suggesting their involvement in the modification of the cell wall architecture during cell culture growth. RESUMEN El cultivar de tomate MT presenta una serie de características fenotípicas, como un corto ciclo biológico (inferior a 3 meses) y pequeño tamaño (menos de 20 cm), que hacen que sea más adecuado para estudios en laboratorio que otros cultivares de tomate. El objetivo general planteado al iniciar este trabajo fue determinar el comportamiento in vitro del cv. MT, así como llevar a cabo un estudio de los perfiles de metabolitos secundarios y de los patrones de expresión proteica en suspensiones celulares sometidas a la elicitación con MJ, en presencia y en ausencia de dos tipos de ?-CDs: metiladas al azar (CDsM) o hidroxipropiladas al azar (CDsH). El fin último es explorar el potencial de las suspensiones celulares derivadas del cv. MT para utilizar este sistema en la producción de metabolitos con alto valor añadido. Para abordar este objetivo se han utilizado diversas técnicas de análisis cromatográfico (HPLC-MS y GC-MS), electroforético (SDS-PAGE e IEF), citológico (TTC y FDA) y espectrofotométrico (determinaciones de metabolitos y de diversas actividades enzimáticas); también se ha llevado a cabo la microsecuenciación de fragmentos peptídicos por nanoLC ESI MS/MS y se han utilizado las herramientas bioinformáticas correspondientes para el análisis de los resultados. Las suspensiones celulares presentaron una acumulación de compuestos fenólicos y triterpenos máxima durante la fase de crecimiento exponencial. La elicitación de las suspensiones celulares con MJ y CDsM o CDsH, separadamente o en combinación, dio lugar a un aumento de los niveles de isofucosterol, -sitosterol y taraxasterol, si bien los mayores cambios se registraron en los tratamientos con CDsM. Sin embargo, los mayores niveles de fenoles solubles totales se obtuvieron en los tratamientos combinados, sobre todo en el tratamiento CDsM+MJ. Además, ambos elicitores (CDs+MJ) actuaron de forma sinérgica en la producción de ácido cafeico en el medio intracelular, indicando que la naturaleza fisicoquímica de las CDs influyó en su capacidad para estimular la producción de metabolitos y para actuar como agentes secuestrantes. Por otra parte, en los tratamientos de elicitación se observó, en general, una diminución de las actividades enzimáticas peroxidasa, PAL, endoquitinasa y -1,3-glucanasa en presencia de CDsM y un aumento de dichas actividades enzimáticas en presencia de CDsH, en los tratamientos con MJ y, sobre todo, en los combinados (CDs+MJ), lo que indica que las CDs y el MJ son capaces de regular diferencialmente la actividad de estas enzimas. El análisis del proteoma extracelular de las suspensiones celulares mediante separación monodimensional en geles de poliacrilamida y microsecuenciación en las suspensiones elicitadas con CDsM+MJ permitió la identificación de diez fragmentos trípticos cuyas secuencias de aminoácidos mostraron homología con varías proteínas PR de S. lycopersicum, quitinasas, una proteína asociada a la muerte celular biótica y una peroxidasa catiónica. Estas proteínas podrían formar parte de las respuestas de defensa en suspensiones celulares de tomate MT. Además de las proteínas inducidas en el tratamiento de elicitación, se identificaron una serie de proteínas constitutivas, como proteínas PR del tipo PR-1 y PR-5, endoquitinasas, quitinasas, peroxidasas, una proteína inhibidora de endoglucanasas fúngicas específicas de xiloglucano (XEGIP) y otras enzimas hidrolíticas implicadas en la ruptura de xilanos y arabinoxilanos como la LeXYL2 y la ?-L-Arabinofuranosidasa, que pueden estar implicadas en la modificación de la arquitectura de la pared celular durante el crecimiento del cultivo. ABSTRACT The tomato cultivar Micro-Tom displays several phenotypic characteristics such as small size (less than 20 cm) and a reduced life cycle (less than three months), which make it more suitable for laboratory experiments than standard cultivars. The overall objective proposed in this research is to know the in vitro behavior of Micro-Tom as well as analyzing the response of MT cell cultures to elicitation with methyl jasmonate (MJ) and two -cyclodextrins (randomly methylated -cyclodextrins, CDsM, and randomly hydroxypropyl -cyclodextrins, CDsH), alone or in combination, exploring the changes on both secondary metabolite and protein expression patterns that occur in these cell cultures in the presence of these elicitors. To address this objective, a variety of different techniques including: chromatographic (HPLC-MS and GC-MS), electrophoretic (SDS-PAGE and IEF), cytological (TTC and FDA) and spectrophotometric (for the determination of metabolites and enzymatic activities) methods were used. Moreover, tryptic fragments of SDS-PAGE bands of interest were analyzed by nanoLC ESI MS/MS and the LC-ESI-MS/MS spectra submitted to the database-mining tool for protein identification. An accumulation of both phenolic and triterpenoids compounds was seen during the exponential phase of non-elicited cell suspension cultures. Under elicitation conditions, an increase in the levels of isofucosterol, -sitosterol and taraxasterol was observed, although the highest levels of these compounds were found in CDsM-treated cells. In contrast, the highest levels of phenolic compounds were detected in the presence of both elicitors, especially in CDsM+MJ-treated cells. Moreover, both elicitors act synergistically to stimulate the production of caffeic acid in the intercellular medium, suggesting that the physicochemical properties of CDs have a great influence in their ability to induce the production of secondary metabolites and in their metabolite-sequestering properties. On the other hand, a decrease in the enzymatic activities of peroxidase, PAL, endochitinase and -1,3-glucanase was observed in CDsM-treated cells whereas an increase of these enzymatic activities occurred in the presence of CDsH, MJ, and in the combined treatments, indicating that both elicitors are able to differentially regulate the activity of these enzymes. Analysis of the extracellular proteome showed the presence of amino acid sequences homologous to several pathogenesis-related (PR) proteins, a cationic peroxidase, and a biotic cell death-associated protein, which suggests that MJ and CDs could play a role in mediating defense-related gene product expression in MT. Moreover, several constitutive proteins were also identified such as PR 1 and 5 proteins, endochitinases, chitinases, peroxidases, an inhibitor protein of xyloglucan-specific fungal endoglucanase (XEGIP), and other hydrolytic enzymes like LeXYL2 and L-arabinofuranosidase, which are cell wall-degrading enzymes involved in the breakdown of xylans and arabinoxylans, suggesting their involvement in the modification of the cell wall architecture during cell culture growth.