Cardosins trafficking and sorting events in Arabidopsis and Tobacco plants

Abstract

Cardosin A and B are aspartic proteinases from Cynara cardunculus L. and a role during several important developmental stages of the plant have been suggested for cardosins namely during plant reproduction and seed germination. In order to participate in these events, cardosins must accumulate and traffic to different compartments inside the cell. However, not much information is available regarding cardosin A biogenesis, sorting or trafficking to the different compartments, mainly because the transformation protocols available are difficult to apply in cardoon plants. To solve this obstacle we obtain transgenic Arabidopsis thaliana lines’ stably expressing cardosins constructs. In order to validate these mCherry-based constructs in Arabidopsis we succeed in their transient expression, adapting a method described by Marion and co-workers (2008). Moreover, this technique also allowed us to conclude that the cardosins trafficking events are conserved between the Nicotiana tabacum leaf and Arabidopsis thaliana cotyledon epidermal cells. Despite the great achievements using mCherry, the possibility of using photoinducible fluorescent proteins is a powerful addition to track cardosins fusions. Therefore, we obtained mEos-fusions both to cardosins and to the Plant-Specific Insert (PSI) even though these fusions will need further optimization. Despite the similarity between cardosins protein sequences the N-glycosylation pattern is different. The presence of a glycosylated PSI is a conserved characteristic of plant aspartic proteases that is absent from cardosin A, contrarily to cardosin-B PSI. The absence of a conserved glycosylation site in the PSI seems to be related with the already described PSI-dependent Golgi bypass. To understand the relevance of Nglycosylation, one of the main goals of this work was to obtain point mutations of the glycosylation sites. The results obtained during this work strongly suggest that glycosylation seems to be a key feature in determining the PSI-driven route and renew the debate about the importance of glycosylation for protein trafficking. Furthermore, the transgenic plants preliminary analysis are the starting point for a detailed study of cardosin A and cardosin B expression, localisation, sorting and trafficking routes, in the whole-plant context and to explore the role of cardosins during plant development.

A cardosina A e a cardosina B são proteinases aspárticas de Cynara cardunculus L. e foi sugerido um papel importante das cardosinas durante vários estados de desenvolvimento da planta, nomeadamente durante a reprodução da planta e a germinação da semente. Para participarem nestes eventos, as cardosinas devem acumular-se e deslocar-se para diferentes compartimentos dentro da célula. Contudo, não há muita informação disponível sobre a biogénese, direcionamento e trânsito para os diferentes compartimentos principalmente, porque os protocolos de transformação existentes são difíceis de aplicar no cardo. Para ultrapassar este obstáculo, obtivemos linhas de Arabidopsis thaliana a expressar estavelmente os constructos das cardosinas. Para validar estas fusões com a proteína fluorescente mCherry em Arabidopsis, obtivemos com sucesso, a sua expressão transiente utilizando um método adaptado de Marion e colaboradores (2008). Para além disso, esta técnica permitiu-nos concluir que os eventos no trânsito das cardosinas são conservados entre as células da epiderme da folha de Nicotiana tabacum e dos cotilédones de Arabidopsis thaliana. Apesar dos excelentes resultados obtidos usando a mCherry, a utilização de proteínas fluorescentes foto-indutiveis é uma ferramenta valiosa para seguir in vivo a síntese e trânsito das fusões das cardosinas. Por conseguinte, obtivemos fusões da mEos às cardosinas e ao Plant-Specific Insert (PSI) de cada uma, contudo, estas fusões precisam de mais optimização. Apesar das semelhanças entre as sequências proteicas das cardosinas o padrão de N-glicosilação é diferente. A existência de um PSI glicosilado é uma característica conservada entre proteases aspárticas mas que está ausente na cardosina A, contrariamente ao PSI da cardosina B. A ausência de um local de glicosilação conservado no PSI parece estar relacionado com a via já descrita que evita o Golgi dependente do direcionamento pelo PSI. Para perceber a relevância da N-glicosilação, um dos principais objetivos deste trabalho era obter mutações pontuais dos locais de glicosilação. Os resultados obtidos durante este trabalho sugerem fortemente que a glicosilação parece ser uma característica-chave na via dependente do Golgi e reacendem o debate sobre a importância da glicosilação para o trânsito das proteínas. Para além disto, a análise preliminar das plantas transgénicas é um ponto de partida para um estudo detalhado da expressão, localização, direcionamento e vias de trânsito das cardosinas em toda a planta e para explorar o papel das cardosinas durante o desenvolvimento da planta.