Estudio del subdominio CA (Anhidrasas Carbónicas) perteneciente al complejo I de la cadena respiratoria mitocondrial de Arabidopsis thaliana

Abstract

El complejo I es el punto de entrada principal de los electrones en la cadena respiratoria mitocondrial. En varios organismos eucariotas, exceptuando animales y hongos, el complejo I posee un dominio extra (dominio CA) compuesto por trímeros de proteínas con alta similitud a anhidrasas carbónicas de tipo gamma (γ-CAs). En Arabidopsis thaliana existen cinco genes nucleares que codifican para estas γ-CAs. Tres de las proteínas codificadas son denominadas CA (Carbonic Anhidrase) 1, CA2 y CA3. Las restantes poseen una estructura primaria menos conservada y se las denomina CAL (Carbonic Anhidrase Like) 1 y CAL2. Estudios realizados utilizando mutantes simples de Arabidopsis para cada una de estas subunidades CA no lograron esclarecer el rol fisiológico funcional del dominio CA. Ha sido sugerido que este dominio es importante en el contexto de la fotorrespiración por su participación en el reciclado de CO2 mitocondrial que permite el mantenimiento de una tasa normal de fijación de carbono en plantas. En este trabajo, se reportan evidencias experimentales que apoyan esta hipótesis utilizando mutantes de Arabidopsis carentes de dos subunidades CA que muestran fenotipos alterados. Mutantes dobles crecidas en condiciones ambientales normales presentan un retardo en el crecimiento en comparación con plantas salvajes. Este fenotipo puede ser rescatado cultivando dichas plantas en atmósferas con altas concentraciones de CO2. Adicionalmente, bajo condiciones fotorrespiratorias, la asimilación de carbono se ve disminuida y la glicina se acumula en las dobles mutantes, sugiriendo un desequilibrio relacionado con la fotorrespiración. Sumado a esto, los niveles de transcriptos de los genes que codifican para las subunidades CA se encuentran reducidos en plantas salvajes crecidas bajo condiciones no fotorrespiratorias. Estos resultados permiten vincular el rol funcional del dominio CA con la vía fotorrespiratoria. Por otro lado, también se reportan mutantes dobles que presentan un fenotipo de letalidad del embrión, presentando semillas inmaduras incoloras que colapsan al secarse. Esto muestra que la falta de dos subunidades CA puede dar lugar también a un fenotipo letal. En conjunto, los resultados presentados en este trabajo permitieron generar conocimiento acerca del rol fisiológico de las anhidrasas carbónicas de tipo gamma (γ-CAs) que conforman el dominio CA del complejo I mitocondrial de plantas; mostrando que este dominio resulta esencial para la viabilidad de los embriones y contribuye a sostener una fotosíntesis eficiente bajo las condiciones ambientales actuales.

The NADH–ubiquinone oxidoreductase complex (complex I) is the main entrance site of electrons into the respiratory chain. In a variety of eukaryotic organisms, except animals and fungi (Opisthokonta), it contains an extra domain comprising trimers of putative gamma carbonic anhydrases, named the CA domain, which has been proposed to be essential for assembly of complex I. However, its physiological role in plants is not fully understood. It has been postulated that the CA domain may be involved in recycling CO2 from respiration and photorespiration. In Arabidopsis thaliana there are five gamma carbonic anhydrases proteins, called Carbonic Anhydrase (CA) 1, CA2, CA3, Carbonic Anhydrase Like (CAL) 1 and CAL2. None of the T-DNA insertional single mutants shows any visible phenotype under normal conditions. In order to investigate the functional role of the CA domain, we performed crosses of single mutants to obtain different double mutants. Here, we report that Arabidopsis mutants defective in two CA subunits show an altered photorespiratory phenotype. Mutants grown in ambient air show growth retardation compared to wild type plants, a feature that is reversed by cultivating plants in a high CO2 atmosphere. Moreover, under photorespiratory conditions, carbon assimilation is diminished and glycine accumulates, suggesting an imbalance with respect to photorespiration. Additionally, transcript levels of specific CA subunits are reduced in plants grown under non-photorespiratory conditions. On the other hand, we also present Arabidopsis mutant plants affected in two CA subunits that show an embryo lethal phenotype. Taken together, these results suggest that the CA domain of plant complex I contributes to sustaining efficient photosynthesis under ambient (photorespiratory) conditions, and is also required for normal embryogenesis.