Resumen de Changes in metabolic profile and defense systems in lichen microalgae with different desiccation tolerance
- español
La mayoría de los líquenes y sus fotobiontes son considerados tolerantes a la desecación, sin embargo, los mecanismos involucrados en su increíble capacidad de sobrevivir a la pérdida de agua y retomar el metabolismo aún están poco estudiados. Se cree que la tolerancia a la desecación (DT) de los fotobiontes liquenizados puede estar asociada con mecanismos de protección constitutivos e inducidos especies-dependientes, relacionados, al menos en parte, con la activación del sistema antioxidante y la síntesis de moléculas protectoras. Por lo tanto, el objetivo de esta tesis Doctoral fue analizar la composición y las alteraciones metabólicas y del sistema de defensa de dos especies de microalgas liquenizadas, con diferentes comportamientos hídricos: Trebouxia sp. (TR9) y Coccomyxa simplex (Csol) y relacionarlos con la DT de cada especie. Para ello, se realizaron análisis de perfil metabólico, enzimas antioxidantes, caracterización de polioles, cuantificación de óxido nítrico (NO) y análisis de transcriptos de genes antioxidantes y relacionados con la síntesis de polioles. Inicialmente, los cultivos de microalgas fueron sometidos a un solo ciclo de desecación-rehidratación (D/R), bajo una humedad relativa (HR) del 25% al 30%. En estas condiciones, el contenido relativo de agua y el potencial hídrico indicaron que las especies presentan una estrategia de DT ajustada al régimen hídrico de su hábitat natural. El análisis del perfil metabólico indicó que TR9 acumuló constitutivamente mayores cantidades de polioles, mientras que Csol indujo la síntesis de estos compuestos, que presentan un importante papel en la DT de ambas especies. En un segundo enfoque, se evaluó la DT sometiendo a la especie a diferentes condiciones de HR y ciclos consecutivos de D/R. Los resultados mostraron que la HR durante la desehidratación cercana a la de sus hábitats naturales (25% para TR9 y 60% para Csol) es crucial para mantener la tasa fotosintética al rehidratarse. Algunas enzimas y genes antioxidantes (niveles de transcriptos) clave fueron inducidos por ciclos D/R consecutivos, probablemente debido al aumento en la formación de especies reactivas de oxígeno. Además, el análisis de los niveles de transcriptos relacionadas con la síntesis de myo-inositol y rafinosa también demostró, en general, la inducción durante los consecutivos ciclos D/R, especialmente en Csol. Los análisis de correlación también sugieren que el NO puede actuar como un factor de señalización, ayudando a modular las rutas metabólicas para la producción de polioles. En conclusión, entre las evidencias experimentales presentadas en esta Tesis Doctoral, se destaca la inducción especie-específica del sistema antioxidante y de la síntesis de polioles por exposición a la desecación cíclica, lo que sugiere un proceso de "priming" del metabolismo de defensa contra el estrés oxidativo y osmótico realizado por las microalgas liquénicas durante los frecuentes cambios en el contenido hídrico a los que están normalmente expuestas.
- English
Most lichens and their photobionts are considered desiccation tolerant, however, the mechanisms involved in their incredible ability to survive the water loss and resume active metabolism are still poorly studied. It is believed that the desiccation tolerance (DT) of lichenized photobionts may be, at least partially, associated with constitutive and induced species-specific mechanisms of protection, related with the activation of the antioxidant system and the synthesis of protective molecules. Thus, the objective of this PhD Thesis was to analyze the composition, metabolic and defense system alterations of two species of lichenized microalgae, with different hydric behaviors: Trebouxia sp. (TR9) and Coccomyxa simplex (Csol) and relate them with the DT of each species. For this, analyzes of metabolic profile, antioxidant enzymes, characterization of polyols, and quantification of nitric oxide (NO) and transcripts levels of antioxidant and sugar alcohols-related genes were performed. Initially, microalgae cultures were subjected to a single cycle of desiccation-rehydration (D/R), under relative humidity (RH) of 25%-30%. Under these conditions, the relative water content and the water potential indicated that each specie present a DT strategy adjusted to the water regime of their natural habitat. The metabolic profile analysis indicated that TR9 constitutively accumulated higher amounts of polyols, while Csol induced the synthesis of these compounds, which seemed to play an important role in the DT of both species. In a second approach, DT was tested by subjecting the species to different RH conditions and consecutive D/R cycles. The results showed that the RH close to that of their natural habitats (RH 25% for TR9 and RH 60% for Csol) is crucial for maintaining the photosynthetic rates. Some key antioxidant enzyme activities and antioxidant genes (transcript levels) were induced by the subsequent D/R cycles in a species-specific way, probably due to the increase in the formation of reactive oxygen species (ROS). In addition, the analysis of the transcript levels related to the synthesis of myo-inositol and raffinose also demonstrated, in general, an induction during the consecutive D/R cycles, especially in Csol. Correlation analyzes also suggest that NO can act as signaling factor, assisting to modulate metabolic pathways of polyols production. In conclusion, among the experimental evidences presented in this PhD Thesis, it is highlighted the species-specific induction of the antioxidant system and synthesis of polyols by exposition to cyclic desiccation, which strongly suggest a process of metabolic "priming" performed by lichenized microalgae to cope with the oxidative and osmotic stress during the sudden changes in water content to which they are normally subjected
- português
A maioria dos líquens e seus fotobiontes são considerados tolerantes à dessecação, no entanto, os mecanismos envolvidos em sua incrível capacidade de sobrevivência à perda de água e retomada do metabolismo ainda são pouco estudados. Acredita-se que a tolerância à dessecação (DT) de fotobiontes liquenizados possa estar, ao menos parcialmente, associada à mecanismos espécie-dependentes de proteção constitutivos e induzidos, relacionados com a ativação do sistema antioxidante e à síntese de moléculas protetoras. Dessa maneira, o objetivo dessa tese de doutorado foi analisar a composição e alterações metabólicas e do sistema de defesa de duas espécies de microalgas liquenizadas, com diferentes comportamentos hídricos: Trebouxia sp. (TR9) e Coccomyxa simplex (Csol) e relacioná-los à DT de cada espécie. Para isso, análises de perfil metabólico, enzimas antioxidantes, caracterização de polióis, quantificação de óxido nítrico (NO) e níveis de transcritos de genes relacionados à antioxidantes e açúcares álcoois foram realizadas. Inicialmente, culturas de microalgas foram submetidas à um único ciclo de dessecação-reidratação (D/R), sob umidade relativa do ar (UR) de 25%-30%. Sob essas condições, o teor relativo de água e o potencial hídrico indicaram que as espécies apresentam estratégia de DT ajustada ao regime hídrico de seu habitat natural. A análise de perfil metabólico indicou que TR9 acumulou constitutivamente maiores quantidades de polióis, enquanto Csol induziu a síntese desses compostos, que parecem desempenhar um importante papel na DT de ambas as espécies. Em uma segunda abordagem, a DT foi testada submetendo as espécies à diferentes condições de UR e consecutivos ciclos de D/R. Os resultados demonstraram que durante a dessecação a UR próxima à de seus habitats naturais (UR 25% para TR9 e UR 60% para Csol) é crucial para o mantenimento das taxas fotossintéticas ao reidratar-se. Algumas atividades de enzimas antioxidantes e genes antioxidantes (níveis de transcritos) chaves foram induzidas pelos subsequentes ciclos de D/R de maneira espécie-específica, provavelmente devido ao aumento da formação de espécies reativas de oxigênio. Além disso, a análise dos níveis de transcritos relacionados à síntese de myo-inositol e rafinose também demonstrou, de maneira geral, a indução durante os consecutivos ciclos de D/R, especialmente em Csol. Análises de correlações sugerem, ainda, que o NO possa atuar como um fator de sinalização, auxiliando na modulação das rotas metabólicas para produção de polióis. Em conclusão, dentre as evidências experimentais apresentadas nesta tese de doutorado, destacam-se, a indução espécie-específica do sistema antioxidante e síntese de polióis pela exposição à ciclos de dessecação, o que sugere um processo de “priming” metabólico realizado pelas microalgas liquenizadas para lidar com os estresses oxidativos e osmóticos durante as frequentes alterações no conteúdo de água ao qual estão normalmente submetidas.
