Evolución y caracterización funcional de los genes HEC3 en el desarrollo de flores y fruto de Nicotiana benthamiana

Abstract

[ES] El éxito de la fertilización en las Angiospermas depende del adecuado y coordinado desarrollo de los diferentes tejidos del gineceo: ovario, estilo y estigma. Los mecanismos moleculares asociados a la correcta formación y desarrollo del gineceo han sido bien estudiados en la especie modelo Arabidopsis thaliana. Diversos genes pertenecientes a múltiples familias de factores de transcripción han sido sugeridos como reguladores indispensables en la correcta formación del estilo y el estigma de las Angiospermas. Entre ellas se encuentran la familia basic Helix Loop Helix, bHLH. Los genes HECATE (HEC) pertenecen al linaje de genes HEC1/2/3/IND. Análisis filogenéticos han revelado que las Angiospermas poseen, al menos, tres copias de genes HEC (HEC1/2/3), mientras que el gen INDEHISCENT (IND) es un parálogo especifico de HEC3 en Brassicaceae; las demás Angiospermas poseen homólogos preduplicación más similares a HEC3 que a IND. Funcionalmente, en Arabidopsis, los genes HEC1/2/3 son redundantes en la correcta formación de gineceo, mientras que IND tiene funciones en la diferenciación de la zona de dehiscencia del fruto. Así, nos propusimos conocer las funciones de los genes HEC, previas a la diversificación de Brassicaceae. Particularmente estudiamos los ortólogos de los genes HEC1/2/3 en Nicotiana benthamiana. En nuestro estudio, los genes NibeHEC1/2 solo se expresan en meristemos vegetativos y hojas, mientras que NibeHEC3 se expresa predominantemente durante el desarrollo de la flor y aumenta su expresión progresivamente hasta la antesis en el tracto de transmisión del estilo, el estigma y las zonas de dehiscencia de anteras y frutos, de un modo similar al que lo hacen conjuntamente los genes HEC1/2/3/IND en Arabidopsis. La caracterización funcional por VIGS y CRISPR-Cas9 nos confirmó que NibeHEC3 está implicado en la elongación de la región estilar y la diferenciación de las papilas estigmáticas. Además, NibeHEC3 es importante en el desarrollo de las anteras y los frutos de Nicotiana benthamiana. En conjunto, los datos reportados más nuestra caracterización funcional sugieren que los genes HEC3, previos al evento de duplicación del linaje HEC3/IND, conservan las funciones ancestrales en el desarrollo de la región más distal del gineceo y la diferenciación de la zona de dehiscencia de frutos, mientras que en Brassicacaceae, luego de la duplicación del linaje HEC3/IND, estas dos funciones parecen haberse subfuncionalizado durante la diversificación de la familia Brassicaceae entre los genes HEC1/2/3 e IND respectivamente. Además, describimos una novedosa función para los genes HEC3 asociada al desarrollo de las anteras en Nicotiana benthamiana, una función con la cual no se había asociado a los genes HEC con anterioridad. Así, el dilucidar detalles adicionales acerca de las funciones de los genes HEC y sugerir como estos interactúan para la formación del gineceo en eudicotiledóneas fuera de Brassicaceae ayudará a proporcionar información sobre diversos aspectos en la evolución y desarrollo del gineceo y del fruto en Angiospermas.

[CA] L'èxit de la fertilització en les Angiospermes depén de l'adequat i coordinat desenvolupament dels diferents teixits del gineceu: ovari, estil i estigma. Els mecanismes moleculars associats a la correcta formació i desenvolupament del gineceu han sigut ben estudiats en l'espècie model Arabidopsis thaliana. Diversos gens pertanyents a múltiples famílies de factors de transcripció han sigut suggerits com a reguladors indispensables en la correcta formació de l'estil i l'estigma de les Angiospermes. Entre elles es troben la família basic Helix Loop Helix, bHLH. Els gens HECATE (HEC) pertanyen al llinatge de gens HEC1/2/3/IND. Anàlisis filogenètiques han revelat que les Angiospermes posseeixen, almenys, tres còpies de gens HEC (HEC1/2/3), mentre que el gen INDEHISCENT (IND) és un paràleg específic d'HEC3 en Brassicaceae; les altres Angiospermes posseeixen homòlegs preduplicació més similar a HEC3 que a IND. Funcionalment, en Arabidopsis, els gens HEC1/2/3 són redundants en la correcta formació de gineceu, mentre que IND té funcions en la diferenciació de la zona de dehiscència del fruit. Així, ens vam proposar conéixer les funcions dels gens HEC, previs a la diversificació de Brassicaceae. Particularment estudiem els ortòlegs dels gens HEC1/2/3 en Nicotiana benthamiana. En el nostre estudi, els gens NibeHEC1/2 només s'expressen en meristemes vegetatius i fulles; mentre que NibeHEC3 s'expressen predominantment durant el desenvolupament de la flor i augmenten la seua expressió progressivament fins a l'antesi; aquests es mantenen expressats en el tracte de transmissió de l'estil, l'estigma i les zones de dehiscència d'anteres i fruits. Igual que ho fan conjuntament els gens HEC1/2/3/IND en Arabidopsis. La caracterització funcional per VIGS i CRISPR-Cas9 ens va confirmar que NibeHEC3 està implicat en l'elongació de la regió estilar i la diferenciació de les papil·les estigmàtiques. A més, NibeHEC3 és important en la diferenciació de les anteres y la zona de dehiscència de fruits de Nicotiana. Així mateix, les variacions detectades entre les seqüències dels ortòlegs del clade HEC3/IND podria explicar els canvis funcionals i els patrons d'expressió diferencials entre les espècies d'angiospermes. En conjunt, les dades reportades més la nostra caracterització funcional suggereixen que els gens HEC3, previs a la duplicació del llinatge HEC3/IND, conserven les funcions ancestrals en el desenvolupament de la regió més distal del gineceu i la diferenciació de la zona de dehiscència de fruits, mentre que en Brassicacaceae, després de la duplicació del llinatge HEC3/IND, aquestes dues funcions semblen haver-se subfuncionalitzat durant la diversificació de la família Brassicaceae entre els gens HEC1/2/3 i IND respectivament. A més, descrivim una nova funció per als gens HEC3 associada a la diferenciació de les anteres en Nicotiana benthamiana, una funció amb la qual no s'havia associat als gens HEC amb anterioritat. Així, el dilucidar detalls addicionals sobre les funcions dels gens els HEC i suggerir com aquests interactuen per a la formació del gineceu en eudicotiledònies fora de Brassicaceae ajudarà a proporcionar informació sobre diversos aspectes en l'evolució i desenvolupament del gineceu i del fruit en Angiospermes.

[EN] Successful fertilization in Angiosperms depends on the proper and coordinated development of the different tissues of the gynoecium: ovary, style and stigma. The molecular mechanisms associated with the correct formation and development of the gynoecium have been well studied in the model species Arabidopsis thaliana. Several genes belonging to multiple families of transcription factors have been suggested as indispensable regulators in the correct formation of the style and stigma in Angiosperms. Among them are the basic Helix Loop Helix family, bHLH. The HECATE (HEC) genes belong to the HEC1/2/3/IND gene lineage. Phylogenetic analyses have revealed that Angiosperms possess at least three copies of HEC genes: HEC1/2/3, whereas the INDEHISCENT (IND) gene is a specific HEC3 paralog in Brassicaceae; the other Angiosperms possess pre-duplication homologs more like to HEC3 than to IND. Functionally, in Arabidopsis, HEC1/2/3 genes are redundant in proper gynoecium formation while IND has functions in the differentiation of the fruit dehiscence zone. Thus, we set out to understand the functions of HEC genes prior to diversification of Brassicaceae In particular, we studied the orthologs of the HEC1/2/3 genes in Nicotiana benthamiana. In our study, NibeHEC1/2 genes are only expressed in vegetative meristems and leaves; while NibeHEC3 genes are predominantly expressed during flower development and increase their expression progressively until anthesis; they remain expressed in the style transmission tract, stigma and dehiscence zones of anthers and fruits. The same is true for the HEC1/2/3/IND genes in Arabidopsis. Functional characterization by VIGS and CRISPR-Cas9 confirmed that NibeHEC3 is involved in the elongation of the stylar region and differentiation of stigmatic papillae. In addition, NibeHEC3 is important in anther development and the differentiation of the dehiscence zone of Nicotiana benthamiana fruits. Taken together, the reported data plus our functional characterization suggest that HEC3 genes, prior to the HEC3/IND lineage duplication event, retain ancestral functions in the development of the most distal region of the gynoecium and the differentiation of the fruit dehiscence zone, whereas in Brassicaceae, after the duplication of the HEC3/IND lineage, these two functions appear to have been sub-functionalized during the diversification of the Brassicaceae family between the HEC1/2/3 and IND genes, respectively. In addition, we describe a novel function for the HEC3 genes associated with anther development in Nicotiana benthamiana, a function not previously reported for the HEC genes. Thus, elucidating additional details about the functions of the HEC genes and suggesting how they interact for gynoecium formation in eudicots outside Brassicaceae will help to provide insights into various aspects of gynoecium and fruit evolution and development in Angiosperms.