Characterization and quantitative expression analysis of a putative Metallothionein-like gene in Coffea arabica under zinc supply

Abstract

O zinco foi identificado como um nutriente essencial para as plantas nos anos 1970. Em plantas, ele é absorvido na forma Zn 2+ , e as suas funções estão relacionadas com as propriedades de um cátion bivalente, com uma forte tendência para formar complexos tetraédricos. O zinco age quer como componente metálico de enzimas ou como cofatores. Por exemplo a álcool desidrogenase, superóxido dismutase, anidrase carbónica e RNA polimerase são enzimas que contêm Zn. O zinco também exibe um papel na ativação de enzimas envolvidas no metabolismo de carboidratos, proteínas, triptofano e ácido indol-acético (AIA). Acredita-se que as metalotioneínas (MTs), proteínas conhecidas por participar no processo de homeostase de metais, são parcialmente responsáveis pela absorção de zinco em plantas. Metalotioneínas são proteínas de baixo peso molecular, ricas em resíduos de cisteína que podem se ligar a metais, formando compostos do tipo metal-tiolato. Em contraste com os numerosos relatórios sobre a estrutura gênica e padrões de expressão, as funções das MTs não foram precisamente determinadas. Dessa forma, este estudo objetivou caracterizar in silico os prováveis genes que codificam metalotioneínas e analisar a expressão de alguns destes genes em resposta ao fornecimento de zinco em café. As sequências selecionadas obtidas a partir das pesquisas realizadas no banco de dados CAFEST tiveram a sua filogenia avaliada por árvores filogenéticas e seus perfis de expressão in silico foram analisados por Northerns eletrônicos. O banco de dados CAFEST mostrou um elevado número de sequências relacionadas com metalotioneínas. As árvores filogenéticas demonstraram uma elevada similaridade entre as sequências encontradas no CAFEST e as sequencias de outras espécies, e os Northerns eletrônicos detectaram a sua expressão em diferentes tecidos, fases de desenvolvimento e condições de stress. As análises quantitativas de expressão dos genes que codificam MTs mostraram que estes genes são expressos diferencialmente em resposta às diferentes doses de zinco fornecidas.

Zinc was identified as an essential nutrient for plants in the 1970s. In plants, it is absorbed as Zn 2+ , and its functions are related to the properties of a divalent cation, with a strong tendency to form tetrahedral complexes. The zinc acts either as enzyme metallic components or as cofactors. For example, alcohol dehydrogenase, superoxide dismutase, carbonic anhydrase and RNA polymerase are Zn containing enzymes. Zinc also displays a role in activating enzymes involved in the metabolism of carbohydrates, protein, tryptophan and indole acetic acid (IAA). It is hypothesized that metallothioneins, which are proteins known to participate in the process of metal homeostasis, are partially responsible for the zinc up-take in plants. Metallothioneins (MTs) are low molecular weight, cysteine-rich proteins that can bind metals forming metal- thiolate clusters. In contrast to the numerous reports about MTs gene structure and expression patterns, the functions of MTs are still elusive. Thus, this study aimed to in silico characterize the putative metallothionein-like genes and to analyze the expression of some of these genes in response to zinc supply in coffee. The selected sequences obtained from the searches performed in the CAFEST database had their phylogeny assessed by phylogenetic trees and the in silico expression profiles were analyzed by electronic Northerns. The CAFEST database showed a high number of sequences related to metallothionein-like genes. The phylogenetic trees demonstrated a high similarity between the sequences found in the CAFEST and those form other species, and the electronic Northerns detected their expression in different tissues, development stages and stress conditions. The expression analyses of the genes encoding putative MTs showed that these genes are differentially expressed in response to zinc supply.