Transcriptional profile of genes involved in carotenoids biosynthesis pathway and metabolites quantification in red-fleshed sweet oranges

A combinação do aumento da população mundial e a melhoria nos padrões de vida estão levando a uma maior demanda por alimentos com alto valor nutricional. As variedades de laranjas de polpa vermelha são as únicas laranjas que acumulam licopeno na polpa e no suco. O licopeno é um carotenóide considerado como um composto antioxidante, com ação potencial na prevenção de alguns tipos de câncer. Apesar do valor nutricional agregado as laranjas de polpa vermelha, a caracterização fisiológica e molecular dos carotenóides nessas laranjas permanece pouco estudada. O objetivo deste trabalho foi caracterizar o perfil de transcrição de genes envolvidos na via de biossíntese dos carotenóides e quantificar a concentração dos carotenóides na polpa dos frutos de duas laranjas de polpa vermelha e da laranja Pêra (controle). Para comparação entre variedades, os frutos das laranjas Sanguínea-de-Mombuca (\'SM\') e Bahia Cara-Cara (\'CC\'), que possuem polpa vermelha, e da laranja Pêra (\'P\') foram colhidos aos 270, 300 e 330 dias após o florescimento (DAF), em Cordeirópolis (CCSM). Para identificar a influência climática no acúmulo de carotenóides, frutos da laranja de polpa vermelha \'SM\' foram também colhidos frutos aos 270, 300 e 330 DAF em diversos locais: CCSM, Mogi-Mirim (MM) e São Bento do Sapucaí (SBS). A quantidade dos transcritos dos genes fitoeno sintase (PSY), fitoeno dessaturase (PDS), \'dzeta\'-caroteno dessaturase (ZDS), carotenóide isomerase (CRTISO), licopeno \'épsilon\'-ciclase (LCY\'\'épsilon\'), licopeno \'beta\'-ciclase (LCY\'beta\'), hidroxilase \'beta\'-caroteno (HY\'beta\') e zeaxantina epoxidase (ZEP), que codificam para as enzimas da via de biossíntese dos carotenóides, foram analisados por PCR em tempo real. A quantificação dos principais carotenóides presentes no suco dos frutos foi realizada por meio de cromatografia líquida de alta eficiência. A análise quantitativa de transcritos obtidos a 330 DAF indicaram a existência de maiores níveis de expressão dos genes precursores dos carotenos (PSY, PDS, CRTISO, ZDS, LCY\'beta\') nas variedades de polpa vermelha, principalmente na \'SM\'. A quantidade dos carotenos fitoflueno, licopeno e \'beta\'-caroteno foram maiores nas laranjas vermelhas, em relação ao observado nos frutos de laranja Pêra, correlacionando com os níveis de expressão gênica. Nos frutos da laranja pigmentada \'SM\' coletadas aos 330 DAF pôde-se observar uma possível associação entre o clima do local de cultivo e o conteúdo de transcritos dos genes da via de carotenóides. O cultivo em clima mais quente (MM) resultou em frutos com maiores níveis de transcritos dos genes precursores de carotenos (PSY, PDS, ZDS, CRTISO e LCY\'beta\'), enquanto que o cultivo em região de clima mais frio (SBS) resultou no aumento do nível de transcritos dos genes precursores das xantofilas (HY\'beta\' e ZEP). Como consequência, houve um acúmulo maior dos carotenos fitoflueno, licopeno e \'beta\'-caroteno, nos frutos cultivados em locais quentes, porém, em regiões mais frias, houve maior acúmulo das xantofilas zeaxantina e violaxantina, nos frutos. Com o sequenciamento das regiões de diferentes genes da via de biossíntese de carotenóides, foram identificadas algumas mutações pontuais na sequência de nucleotídeos dos genes PSY, CRTISO e ZDS da variedade pigmentada \'SM\', em comparação com os mesmos genes da laranja Pêra. Algumas dessas mutações resultaram na alteração de aminoácidos na sequência das proteínas e deste modo, supõe-se que estes genes sejam os principais candidatos a serem os responsáveis pela alteração do fenótipo das variedades que produzem frutos com polpa avermelhada, ricos em licopenoThe increasing world population and improvement in living standards are leading to greater demand for foods with high nutritional value. The sweet orange varieties with red-flesh are the only ones that accumulate lycopene in the pulp and juice. Lycopene is a carotenoid compound with antioxidative property which may have a potential action in preventing some cancers. Despite of the high nutritional value in the red-fleshed oranges, the physiological and molecular characterization of carotenoids remains to be elucidated. The present work aimed to characterize the transcriptional profile of genes involved in carotenoids biosynthesis pathway and quantify the carotenoids in red-fleshed oranges and Pêra orange (as a control). For a direct comparison among the varieties, fruits of Sanguínea-de-Mombuca (\'SM\') and Bahia Cara-Cara (\'CC\') red-fleshed sweet oranges, and Pêra orange were harvested at 270, 300 and 330 days after flowering (DAF) in Cordeirópolis station (CCSM). To investigate the impact of climate variation on carotenoids accumulation, red-fleshed fruits \'SM\' orange were harvested on 270, 300 and 330 DAF in different climate locations: Cordeirópolis station (CCSM), Mogi-Mirim (MM) and São Bento do Sapucaí (SBS). Quantitative transcriptional analysis of the genes phytoene syntase (PSY), phytoene desaturase (PDS), \'dzeta\'-carotene desaturase (ZDS), carotenoid isomerase (CRTISO), lycopene \'épsilon\'-ciclase (LCY\'épsilon\'), lycopene \'beta\'-cyclase (LCY\'beta\'), hydroxylase \'beta\'-carotene (HY\'beta\') and zeaxanthin epoxidase (ZEP) related to the carotenoids biosynthesis pathway were performed by quantitative Real Time PCR. Further, carotenoids quantification in red-fleshed fruits was measured by high performance liquid chromatography. The transcriptional profile at 330 DAF revealed high expression levels for the carotene gene precursors (PSY, PDS, CRTISO, ZDS, LCY\'beta\') in red-fleshed oranges, in particular to \'SM\' orange when compared to Pêra orange. Carotenoids profiling displayed higher phytofluene, lycopene and \'beta\'-carotene concentrations in red-fleshed orange than Pêra orange fruits. Transcript levels of genes related to the carotenoids pathway were responsive to the climate variation in red-fleshed orange harvested at 330 DAF. In warmer climate conditions, increased expression levels were found for the genes related carotene precursors (PSY, PDS, ZDS, CRTISO and LCY\'beta\'), whereas under colder climate conditions, the red-fleshed fruits orange showed higher expression levels for the xanthophylls precursors genes (HY\'beta\' e ZEP). As a consequence, the carotenes phytofluene, lycopene and \'beta\'-carotene accumulated in warmer climate developed fruits, instead of colder climate conditions, where the fruits accumulate increased concentrations of xanthophylls such as zeaxanthin and violaxanthin. Moreover, the sequencing of fragments from different genes related to the carotenoids pathway enabled the identification of point mutations for the genes PSY, CRTISO and ZDS in the red-fleshed variety. These mutations caused amino acid changes in the protein which indicates that these genes might be responsible for the phenotypes red-fleshed fruits and increased lycopene levels shown in the variety \'SM\