The role of apiose in Spirodela polyrhiza structural carbohydrates metabolism

Problemáticas ambientais em escala global, como as mudanças climáticas, têm motivado a busca por formas alternativas de energia. Dentre as novas matrizes destacam-se os biocombustíveis oriundos de materiais celulósicos, principalmente os que exigem poucos insumos agronômicos e têm processamento favorável, como as lentilhas d´água. Lentilhas d´água são as menores angiospermas aquáticas flutuantes. Essas plantas apresentam crescimento acelerado, resultando em um acúmulo de biomassa até 30 vezes mais rápido que cultivares agrícolas. Esse crescimento acelerado é hipotetizado pela abundância de apiose nas paredes celulares dessas plantas, um açúcar responsável por fixar boro, o qual é um micronutriente essencial para o desenvolvimento das plantas. A parede celular é uma estrutura complexa formada um centro de microfibrilas de celulose em que hemiceluloses e ligninas estão ligadas a essa, e essa estrutura está imersa em uma matriz péctica. Os polissacarídeos de parede celular são constituídos de monossacarídeos que são sintetizados através de nucleotídeos-açúcares. Desta forma, o metabolismo basal de nucleotídeo-açúcares é o ponto de regulação e modulação para a modificações encontradas na parede celular. Pensando nisso, a presente tese teve como objetivo a caracterização funcional de UPD-apiose/UDP-xilose sintase (AXS) em lentilhas d´água, o gene responsável pela síntese do precursor da apiose, UDP-apiose. Para tanto, foram incialmente identificados e mapeados os genes que codificam as enzimas da via biossíntetica dos nucleotídeos-açúcares no genoma de Spirodela polyrhiza e Lemna minor. Logo, a validação e tentativa de determinação de protocolo de cultura de tecidos para as espécies avaliadas foram conduzidas, em que a linhagem de S. polyrhiza não respondeu aos tratamentos submetidos para a indução de calos. Sendo assim, as transformações genéticas de silenciamento e superexpressão foram realizados em sistema de frondes para S. polyrhiza e calos para L. minor. Os resultados obtidos do silenciamento de SpAXS causa redução do dreno da parede celular e incremento de amido, enquanto que a superexpressão leva a poucas alterações no conteúdo de apiose e redução no conteúdo de amido. As evidências são consistentes com a hipótese de que a expressão de AXS não está diretamente relacionada ao conteúdo de apiose, sugerindo um controle pós-traducional, ou ainda etapas não elucidadas da transferência de UDP-apiose para os polissacarídeos. Esse controle indireto da expressão também foi visto no experimento do desenvolvimento de S. polyrhiza com diferentes concentrações de boro, em que aos 7 dias a expressão de AXS aumentou 9 vezes sem que um aumento de apiose na parede celular. O boro interferiu no desenvolvimento de S. polyrhiza com alterações na parede celular, especialmente com redução de pectinas, apiose e aumento de galactose, arabinose e glicose o que beneficiou a sacarificação dessa biomassa, a qual seria promissora para a produção de biocombustíveis.Environmental problems on a global scale, such as climate change, have motivated the search for alternative energies. Among the new matrices, biofuels from cellulosic materials stand out, especially those that require few agronomic inputs and have favorable processing, such as duckweeds. Duckweeds are the smallest floating aquatic angiosperms. The fast-growth capacity is hypothesized by the abundance of apiose in these plant cell walls. Apiose is a sugar responsible for the boron fixation in plants, which is essential for development. The cell wall is a complex structure formed by a cellulose core linked to hemicellulose and lignin that are immersed in pectins. Cell wall polysaccharides are made up of monosaccharides that are synthesized through nucleotide sugars. Thus, the basal metabolism of nucleotide sugars is the regulation and modulation point for alterations within the cell wall. With this in mind, the present thesis aimed the functional characterization of UPD-apiose/UDP-xylose synthase (AXS) in duckweed, the gene responsible for the synthesis of the precursor of apiose, UDP-apiose. For this purpose, genes encoding enzymes of the nucleotide sugar biosynthetic pathway were identified and mapped in the genome of Spirodela polyrhiza and Lemna minor. Then, the validation and attempt to determine tissue culture protocols were performed in two species of duckweeds, of which the S. polyrhiza strain didn´t answer the treatments for callus induction. Therefore, the genetic transformation of silencing and overexpression was performed in a frond system for S. polyrhiza and a callus system for L. minor. The results obtained from SpAXS silencing caused a reduction in the cell wall content and increased starch, while overexpression led to a small alteration in only apiose content and a reduction in starch. Evidence is consistent with a hypothesis that AXS expression is not directly related to apiose content, suggesting post-transcriptional controls, or even further unknown steps in the transfer of UDP-apiose to polysaccharides. This indirect control of expression was also seen in the experiment of S. polyrhiza development with different boron concentrations, in which at 7 days the AXS expression increased 9-fold without an increase of apiose into the cell walls. Boron interfered in the development of S. polyrhiza with changes in the cell wall, especially with a reduction in pectins, apiose, and an increase in galactose, arabinose, and glucose. These changes in the S. polyrhiza cell walls benefit biomass saccharification, which would be promising for the production of biofuels