The regulation of vitam E biosynthesis on tomato (Solanum lycopersicum L.): from natural diversity to metabolic manipulation

Tocoferóis, compostos com atividade de vitamina E (VTE), são antioxidantes lipofílicos sintetizados exclusivamente por organismos fotossintetizantes. A produção desses compostos ocorre a partir da ligação de um grupo cromanol a uma cadeia isoprênica, esta originada a partir de duas vias metabólicas possíveis: pela síntese de novo ou pela ativação do fitol liberado durante a quebra da clorofila, esta dependente de fitol quinase (VTE5). Conhecer os mecanismos responsáveis pela síntese e pelo acúmulo de vitamina VTE em plantas cultivadas é de grande interesse devido sua importância para a fisiologia vegetal e para a saúde humana. Frutos de tomate e seus derivados constituem fonte significativa de VTE na dieta humana. Para além da importância nutricional, o tomateiro emerge como um interessante modelo de estudo dos mecanismos regulatórios subjacentes à biossíntese de tocoferóis, visto que seu fruto combina uma ativa síntese de novo de isoprenóides juntamente com a degradação de clorofila durante o amadurecimento. Em estudo anterior, loci para caracteres quantitativos (QTL) para tocoferol em frutos foram identificados a partir da determinação dos níveis das isoformas α, β, μ e δ em uma população de linhagens introgredidas (ILs) de Solanum pennellii. Genes candidatos dentro dos intervalos dos QTL foram propostos, incluindo alguns relacionados à defitilação da clorofila e ao metabolismo fitol, CLOROFILASE (CLH) e um homólogo à VTE5, nomeado FARNESOL QUINASE (FOLK). Nesse contexto, o presente trabalho apresenta contribuições para o entendimento da regulação da biossíntese de VTE em tomateiro. Para tanto, adotaram-se diferentes abordagens, as quais incluem: a caracterização inicial da regulação transcricional dos genes envolvidos na biossíntese de tocoferóis ao longo do desenvolvimento de tomateiro; a exploração dos determinantes genéticos envolvidos no QTL para tocoferol a partir da análise do perfil transcricional de ILs; a análise integrada das mudanças do metabolismo de tocoferóis e outros isoprenóides em mutantes de tomateiro deficientes no amadurecimento e na degradação de clorofila; e, por fim, o estudo detalhado do metabolismo do fitol por meio da caracterização funcional dos genes codificantes para VTE5, FOLK e CLH(1). Os resultados obtidos fornecem valiosas informações sobre os mecanismos que controlam o acúmulo de VTE, além de expor inúmeras conexões entre o metabolismo de tocoferol e outras vias metabólicas que, em última análise, impactam a fisiologia de tomateiroTocopherols, compounds with vitamin E activity, are lipid-soluble antioxidants exclusively synthesized by photosynthetic organisms. The formation of tocopherol involves the condensation of a chromanol group with an isoprenoid chain, derived from two possible metabolic pathways: from the de novo biosynthesis or from chlorophyll phytol tail recycling, which depends on phytol kinase (VTE5) activity. Understanding the mechanisms underlying synthesis and accumulation of vitamin E in crops is of great interest because of its implications for plant physiology and human health. Tomato fruit and its derivatives constitute a significant dietary source of VTE for humans. Beyond the nutritional value, tomato emerges as an interesting study model of the regulatory mechanisms underlying tocopherol biosynthesis, since fruit couples an active de novo synthesis of isoprenoids together with chlorophyll degradation along ripening. In a previous work, quantitative trait loci (QTL) for VTE content were identified in ripe fruits by tocopherol determination of α, β, μ and δ isoform levels in a population of Solanum pennellii introgression lines (IL). Candidate genes within QTL intervals were proposed, including some related to chlorophyll dephytylation and phytol metabolism, a CHLOROPHYLLASE (CLH) and a VTE5 homolog, named FARNESOL KINASE (FOLK). In this context, this work presents contributions to understanding the regulation of VTE biosynthesis in tomato. For this, different approachs were taken including: an initial characterization of transcriptional regulation of the genes involved in tocopherol biosynthesis along tomato development; the exploitation of genetic determinants involved in QTL for tocopherol from the transcriptional profile analyses of ILs; the integrated analyses of tocopherols metabolism changes and other isoprenoids in ripening impaired and chlorophyll degraded tomato mutants; and, finally, the detailed study of phytol metabolism by means of functional characterization of the genes encoding for VTE5, FOLK and CLH(1). Our results provide valuable insights into the mechanisms that control the VTE accumulation and also expose several cross-talks between the tocopherol metabolism and other metabolic pathways that, ultimately, impact on tomato physiolog