Proteome analysis of developing seeds of Jatropha curcas L.

SHAH, M. Análise proteômica de desenvolvimento de sementes Jatropha curcas L. 2014. 169 f. Tese (Doutorado em Bioquímica) - Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2014.Physic nut (Jatropha curcas L.) is an important crop due to its ability of storing high content of oil in the seeds, which can serve as raw material for biodiesel production. Because of the presence of toxic constituents like phorbol esters (PEs) and curcins, the seed cake produced as a result of oil extraction cannot be utilize for animal feed. Development of the genotypes better suited for the industrial applications and biodiesel production as well as with lower level of toxic constituents is being hampered by a lack of understanding about the a) proteins related to the biosynthesis and degradation of fatty acids (FAs) and triacylglycerides (TAGs), b) role of proteins deposited during seed development and c) proteins related to the synthesis and storage of toxic compounds during seed development. Agreeing with this, we have performed the anatomical analysis of the developing seeds of J. curcas, followed by the proteome analysis of the endosperm isolated from the seeds of J. curcas at five different developmental stages, which resulted into the identification of the 1517, 1256, 1033, 752 and 307 proteins, from Stage 6, 7, 8, 9 and 10, respectively, summing up to a total of 1760 proteins. Proteins with similar expression pattern were grouped into five different clusters and protein quantification based on spectral counts was determined. Besides identification of the proteins involved in the biosynthesis and degradation of the FAs and TAGs, we also identified a large number of proteins involved in the metabolism of the carbohydrates, which are important for supplying energy and carbon source for the synthesis of TAGs in heterotrophic seeds. Among the members of different classes of seed storage proteins (SSPs), we have identified four SSPs named as nutrients reservoir, which in contrast to the other SSPs showed decreasing deposition pattern during seeds development and revealed to have special role during seed development. In addition, peptidases belong to different mechanistic classes were identified, which have a range of functions, highlighting the role in reserve mobilization during germination. Isoforms of curcin were also identified in this proteome analysis which were absent in our previous proteome analysis of the other tissues from these seeds, suggesting that the deposition of these toxic proteins only occur in the endosperm. Similarly, several enzymes involved in the biosynthesis of diterpenoid precursors were identified in this proteome analysis but, like in our previous proteome analysis of the other tissues from J. curcas seeds,we were unable to identify any terpene synthase/cyclase, enzymes responsible for the synthesis of PEs, which collectively suggesting that the synthesis of PEs may not occur in seeds of this plant. In conclusion, the strategy used here enabled us to provide a first in depth proteome analysis of the endosperm from J. curcas developing seeds, which along with providing information regarding important aspects of the seed development, also set the foundation of a proteomic approach to study biotechnologically important plant species.Pinhão manso (Jatropha curcas L.) é uma cultura importante devido à sua habilidade em armazenar alto conteúdo de óleo nas sementes, as quais podem servir como matéria-prima para a produção de biodiesel. Devido à presença de constituintes tóxicos como ésteres de forbol e curcina, a torta da semente produzida como resultado da extração do óleo não pode ser utilizada na alimentação animal. O desenvolvimento de genótipos mais adequados a aplicações industriais e à produção de biodiesel assim como apresentando baixos níveis de constituintes tóxicos está sendo prejudicado pela falta de entendimento sobre a) proteínas relacionadas a biossíntese e degradação de ácidos graxos e triacilgliceróis, b) o papel de proteínas depositadas durante o desenvolvimento da semente e c) proteínas relacionadas à síntese e reserva de compostos tóxicos durante o desenvolvimento da semente. Diante disso, nós realizamos uma análise anatômica de sementes em desenvolvimento de J. curcas, seguido por uma análise proteômica do endosperma isolado de sementes dessa espécie em cinco diferentes estágios de desenvolvimento, o que resultou na identificação de 1517, 1256, 1033, 752 e 307 proteínas, dos estágios 6, 7, 8, 9 e 10, respectivamente, somando um total de 1760 proteínas. Proteínas com padrão de expressão similar foram agrupadas em cinco grupos diferentes e a quantificação das proteínas baseada na contagem dos espectros foi determinada. Além da identificação das proteínas envolvidas na biossíntese e degradação de FAs e TAGs, nós identificamos um grande número de proteínas envolvidas no metabolismo de carboidratos, as quais são importantes para o fornecimento de energia e fontes de carbono para a síntese de TAGs em sementes heterotróficas. Entre os membros de diferentes classes de proteínas de reservas de sementes (SSPs), nós identificamos quatro SSPs denominadas reservatórios de sementes, que em contraste as outras SSPs mostraram decréscimo no padrão de deposição e revelaram ter um papel especial durante o desenvolvimento da semente. Em adição, peptidases pertencentes a diferentes classes mecanísticas foram identificadas destacando o papel da mobilização de reservas durante a germinação. Isoformas da curcina ausentes em nossas análises proteômicas prévias de outros tecidos da semente foram identificadas sugerindo que a deposição dessas proteínas tóxicas só ocorre no endosperma. Similarmente, várias enzimas envolvidas na biosíntese de precursores de diterpenóides foram identificadas nessa análise proteômica, mas como em nossas prévias análises proteômicas de outros tecidos de sementes de J. curcas, nós não fomos capazes de identificar sintases/ciclases de terpenos, enzimas responsáveis pela síntese de PEs, o que coletivamente sugere que a síntese desses compostos pode não ocorrer nas sementes dessa planta. Em conclusão, a estratégia utilizada nos fornece a primeira análise proteômica profunda do endosperma de sementes em desenvolvimento de J. curcas, o que além de fornecer informações sobre aspectos importantes do desenvolvimento da semente, também estabelece a base para uma pesquisa proteômica com o objetivo de estudar espécies vegetais importantes biotecnologicamente