Unraveling new roles of geranylgeranyl diphosphate synthases and phytoene synthases in tomato

Abstract

Els carotenoides són compostos isoprenoides essencials per a la fotosíntesi, la fotoprotecció, i com a precursors de reguladors del creixement com l’àcid abscísic (ABA) i les estrigolactones (SL). En algunes plantes, com el tomàquet (Solanum lycopersicum), els carotenoides també funcionen com a pigments que donen color a les flors i als fruits per atraure pol·linitzadors i als animals dispersors de llavors. Els carotenoides deriven del precursor geranil geranil difosfat (GGPP), sintetitzat als plasts per les GGPP sintases (GGPPS). Dues molècules de GGPP són després condensades per les fitoè sintases (PSY) per produir fitoè, el primer intermediari de la ruta dels carotenoides. Tot i que les GGPPS i PSY s’han estudiat àmpliament a Arabidopsis, el nostre coneixement de les famílies gèniques i la seva regulació a la majoria dels cultius, inclòs el tomàquet, és limitat. A Arabidopsis, només hi ha una isoforma de GGPPS què és essencial als plasts, on es capaç d’interaccionar amb l’única PSY present en aquesta espècie model. Tot i això, en tomàquet, hi ha tres gens que codifiquen isoformes de GGPPS (SlG1-3) i tres per a les isoformes de PSY (PSY1-3). L’objectiu principal d’aquesta tesi ha estat compendre millor la contribució específica de les isoformes GGPPS i PSY a la producció de carotenoides en diferents teixits de la planta de tomàquet. Per això, s’ha organitzat el treball en dos blocs principals: (1) identificar i caracteritzar els membres plastidials de la família GGPPS de tomàquet, i (2) confirmar i explorar els rols de les isoformes PSY. Utilitzem la tecnologia CRISPR-Cas9 per generar mutants de tomàquet defectius a les tres isoformes GGPPS i en dues de les isoformes PSY per assolir els nostres objectius. Descobrim que SlG3 funciona com a isoforma “housekeeping”, proporcionant la major part del GGPP necessari per produir isoprenoides fotosintètics en fulles i carotenoides en fruit, no obstant l’expressió de SlG2 s’activa en els moments de més demanda de carotenoides per ajudar amb GGPP extra. Curiosament, l’absència de SlG2 i SlG3 produeix fenotips letals durant el desenvolupament de la llavor. A més, descobrim que el paper de SlG1 es restringeix principalment a les arrels, on produeix GGPP per a la síntesi d’estrigolactones, i és incapaç de compensar la pèrdua de SlG2 i SlG3. Referint-nos a la família de PSY, les nostres dades indiquen que PSY2 és la principal isoforma productora de carotenoides als teixits fotosintètics, mentre que PSY1 funciona principalment en els cromoplasts de flors i fruits. A més, hem descobert un paper de PSY1 als teixits fotosintètics quan les plantes estan exposades a alta llum. A més, descobrim un rol per a aquestes isoformes a la producció d’ABA en diferents teixits del fruit. En particular, hem observat que PSY1 proporciona fitoè per a la síntesi d’ABA al pericarp, mentre que PSY2 té un paper a l’ABA de llavor, en el control de la germinació. A més, la pèrdua conjunta de les dues isoformes dona lloc a un fenotip albí letal, quelcom indica que PSY3 no és activa en els teixits fotosintètics durant el desenvolupament i que la seva funció es limita principalment a les arrels. Finalment, els nostres experiments de co-immunoprecipitació proteica han revelat interaccions específiques entre els membres de les famílies GGPPS-PSY: mentre SlG1 interactua amb PSY3, SlG2 ho fa amb PSY1 i PSY2, i curiosament, SlG3 no interactua amb cap PSY. Amb aquestes dades, concluim, que el parell SlG1-PSY3 és l’encarregat del subministrament de precursors per a la síntesi de SL a les arrels, mentre que els parells SlG2-PSY2 i SlG2-PSY1 canalitzen la producció de GGPP cap a la síntesi de carotenoides i ABA a la part aèria de la planta de tomàquet.

Los carotenoides son compuestos isoprenoides esenciales para la fotosíntesis, la fotoprotección, y como precursores de reguladores del crecimiento como el ácido abscísico (ABA) y las estrigolactonas (SL). En algunas plantas, como el tomate (Solanum lycopersicum), los carotenoides también funcionan como pigmentos que dan color a las flores y a los frutos para atraer a polinizadores y a los animales dispersores de semillas. Los carotenoides derivan del precursor geranil geranil difosfato (GGPP), sintetizado en los plastos por las GGPP sintasas (GGPPS). Dos moléculas de GGPP son después condensadas por las fitoeno sintasas (PSY) para producir fitoeno, el primer intermediario de la ruta de los carotenoides. Aunque las GGPPS y PSY se han estudiado ampliamente en Arabidopsis, nuestro conocimiento de las familias génicas y su regulación en la mayoría de los cultivos, incluido el tomate, es pequeño. En Arabidopsis, sólo una isoforma de GGPPS es esencial en los plastos, donde, además es capaz de interaccionar con la única PSY presente en esta especie. Sin embargo, en tomate, hay tres genes que codifican isoformas de GGPPS (SlG1-3) y tres para las isoformas de PSY (PSY1-3). El objetivo principal de esta tesis ha sido entender mejor la contribución específica de las isoformas GGPPS y PSY en la producción de carotenoides en diferentes tejidos de la planta de tomate. Para ello, organizamos el trabajo en dos bloques principales: (1) identificar y caracterizar los miembros plastidiales de la familia GGPPS de tomate, y (2) confirmar y explorar los roles de las isoformas PSY. Utilizamos la tecnología CRISPR-Cas9 para generar mutantes de tomate defectivos en las tres isoformas GGPPS y en dos de las isoformas PSY para alcanzar nuestros objetivos. Descubrimos que SlG3 funciona como isoforma “housekeeping”, proporcionando la mayor parte del GGPP necesario para producir isoprenoides fotosintéticos en hojas y carotenoides en fruto, mientras que la expresión de SlG2 se activa en los momentos de mayor demanda de carotenoides para ayudar con GGPP extra. Curiosamente, la ausencia de SlG2 y de SlG3 produce fenotipos letales durante el desarrollo de la semilla. Además, descubrimos que el papel de SlG1 se restringe principalmente a las raíces, donde produce GGPP para la síntesis de estrigolactonas, y es incapaz de compensar la pérdida de SlG2 y SlG3. Respecto a la familia de PSY, nuestros datos indican que PSY2 es la principal isoforma productora de carotenoides en los tejidos fotosintéticos, mientras que PSY1 funciona principalmente en los cromoplastos de flores y frutos. Además, hemos descubierto un papel de PSY1 en los tejidos fotosintéticos cuando las plantas están expuestas a alta luz. Además, descubrimos un rol para estas isoformas en la producción de ABA en diferentes tejidos del fruto. En particular, observamos que PSY1 proporciona fitoeno para la síntesis de ABA en el pericarpo, mientras que PSY2 tiene un papel en el ABA de semilla, en control de la germinación. Además, la pérdida conjunta de ambas isoformas da lugar a un fenotipo albino letal, lo que indica que PSY3 no es activa en los tejidos fotosintéticos durante el desarrollo y que su función se limita principalmente a las raíces. Finalmente, nuestros experimentos de co-inmunoprecipitación proteica, han revelado interacciones específicas entre los miembros de las familias GGPPS-PSY: mientras SlG1 interactúa con PSY3, SlG2 lo hace con PSY1 y PSY2, y curiosamente, SlG3 no interactúa con ninguna PSY. Con esos datos, concluimos, que el dúo SlG1-PSY3 es el encargado del suministro de precursores para la síntesis de SL en las raíces, mientras que los pares SlG2-PSY2 y SlG2-PSY1 canalizan la producción de GGPP hacia la síntesis de carotenoides y ABA en la parte aérea de la planta de tomate.

Carotenoids are isoprenoid compounds essential for photosynthesis and photoprotection but also as precursors of growth regulators such as abscisic acid (ABA) and strigolactones (SLs). In some plants, including tomato (Solanum lycopersicum), carotenoids also function as pigments that provide color to flowers and ripe fruit to attract animals for pollination and seed dispersion. Carotenoids are derived from plastidial geranylgeranyl diphosphate (GGPP) synthetized by GGPP synthases (GGPPS). Two molecules of GGPP are condensed by phytoene synthases (PSY) to produce phytoene, the first committed intermediate of the carotenoid pathway. Combined activity of GGPPS and PSY enzymes channel the production of GGPP towards carotenoids and away from other downstream plastidial isoprenoids that also derive from GGPP (e.g. chlorophylls, tocopherols, plastoquinone, or gibberellins). Although GGPPS and PSY have been broadly studied in Arabidopsis, less is known about the gene families encoding these enzymes and their regulation in most crops, including tomato. In Arabidopsis, only one GGPPS isoform is essential in plastids, where it interacts with the only PSY enzyme present in this species. In tomato, however, there are three genes encoding GGPPS isoforms (herein named SlG1 to 3) and three for PSY isoforms (PSY1 to 3). The main objective of this thesis was to better understand the contribution of specific GGPPS and PSY isoforms for the production of carotenoids in different tissues of the tomato plant, with a particular interest in deciphering the relevance of coordinated expression profiles and direct protein-protein interactions for the channeling of GGPP into the carotenoid pathway. To this end, the work was organized in two main blocks: (1) to identify and characterize the plastidial members of the tomato GGPPS family, and (2) to confirm and explore functional roles for tomato PSY isoforms. We used CRISPR-Cas9 editing to generate tomato mutants defective in all three GGPPS isoforms and two PSY isoforms as the main tools to achieve our objectives. We found that SlG3 acts as a housekeeping GGPPS isoform providing most of the GGPP necessary to produce photosynthesis-related isoprenoids and fruit carotenoids, whereas SlG2 is upregulated during peak-demands of carotenoids to help in delivering GGPP substrates. Intriguingly, absence of both SlG2 and SlG3 results in lethal seed/embryo phenotypes. The role of SlG1 is mainly restricted to roots, where it produces GGPP for the synthesis of carotenoid-derived hormone SLs. As for the PSY family, our results confirmed that PSY2 is the main isoform producing carotenoids in photosynthetic tissues whereas PSY1 functions mainly in flower and fruit chromoplasts. They also unveiled a supporting role for PSY1 in chloroplasts when plants are exposed to high light. A specific role for each of these isoforms in the production of ABA was found in different fruit tissues. In particular, PSY1 provides carotenoid precursors for ABA synthesis in the pericarp to regulate fruit growth and ripening whereas PSY2 acts in the seed and modulates ABA production to regulate germination. Loss of both PSY1 and PSY2 isoforms results in an albino seedling-lethal phenotype, indicating that PSY3 is not active in photosynthetic shoot tissues but its role is mainly restricted to roots. Co-immunoprecipitation experiments showed specific GGPPS-PSY interactions: SlG1 only interacts with PSY3, SlG2 with PSY1 and PSY2, and SlG3 does not interact with any PSY isoform. We therefore conclude that the SlG1-PSY3 pair ensures the supply of precursors for SL and other carotenoid-derived products in roots, whereas SlG2-PSY2 and SlG2-PSY1 pairs might efficiently channel GGPP production to the synthesis of carotenoids and ABA in shoot tissues. All the new information generated here will be very useful to further design strategies for crop enrichment in carotenoids and other health-promoting GGPP-derived metabolites of specific tissues or under challenging climate conditions.