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Tipo: Tese
Título: Understanding the regulation of plant primary metabolism by integrating metabolomics and physiological approaches
Título em inglês: Understanding the regulation of plant primary metabolism by integrating metabolomics and physiological approaches
Autor(es): Lima, Valéria Freitas
Orientador: Daloso, Danilo de Menezes
Coorientador: Mariño, Jorge Gago
Palavras-chave em português: ¹³C-análise de fluxo metabólico;Células-guarda;Espectrometria de massas;Metabolômica;Regulação metabólica
Palavras-chave em inglês: Guard cells;Mass spectrometry;Metabolic regulation;¹³C-metabolic flux analysis;Metabolomics
CNPq: CNPQ::CIENCIAS BIOLOGICAS::BIOQUIMICA
Data do documento: 2023
Citação: LIMA, Valéria Freitas . Understanding the regulation of plant primary metabolism by integrating metabolomics and physiological approaches. 2023. 212 f. Tese (Doutorado em Bioquímica) - Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2023.
Resumo: Nos últimos anos, a pesquisa sobre a regulação metabólica das plantas avançou consideravelmente graças à metabolômica, especialmente com o desenvolvimento da 13C- análise de fluxo metabólico (13C-MFA). Apesar dos avanços significativos, o mapeamento preciso dos padrões de fluxo metabólico in vivo ainda é um desafio. Enquanto as abordagens baseadas em ressonância magnética nuclear elucidaram redes metabólicas pequenas com grande precisão, os métodos com espectrometria de massas foram prejudicados pela falta de informação posicional a nível atômico. Esta Tese aborda essa limitação através de uma nova abordagem que utiliza cromatografia gasosa (GC) acoplada à espectrometria de massas (MS) para determinar com precisão a marcação 13C- posicional em metabólitos chave do metabolismo central. Esta abordagem, validada com substâncias de referência marcadas posicionalmente com 13C via GC-impacto eletrônico- MS e GC-ionização química a pressão atmosférica-MS, demonstrou eficácia na análise de dados prévios de 13C-MFA em folhas e células-guarda. Novas informações foram obtidas sobre a glicose, revelando que seus átomos de carbono são preferencialmente marcados pela fotossíntese e gliconeogênese. Além disso, foi estabelecida uma plataforma para investigar a incorporação de 13C em malato e glutamato derivados da enzima fosfoenolpiruvato carboxilase (PEPc). Nossos resultados revelaram que a gliconeogênese e a assimilação de CO2 mediada por PEPc em malato são ativadas de maneira independente à luz nas células-guarda, enquanto que os fluxos de glicólise e PEPc em direção ao glutamato são restringidos pelo sistema de tiorredoxina mitocondrial em folhas iluminadas. Também exploramos a dinâmica metabólica das células-guarda após a assimilação de CO2 mediada por PEPc, tanto no escuro quanto durante a transição do escuro para a luz. Embora as mudanças metabólicas tenham sido consistentes de modo geral, a influência da luz nas estruturas da rede metabólica foi evidente, resultando em um aumento do enriquecimento de 13C em açúcares e metabólitos associados ao ciclo do ácido tricarboxílico (TCA). Além disso, dada a influência do clima nas plantas em todo o mundo, também investigamos os efeitos da seca, altas temperaturas e alta concentração de CO2 em uma samambaia (Nephrolepis exaltata) e uma angiosperma típica, Brassica oleracea. Enquanto B. oleracea mostrou respostas fisiológicas significativas à alta concentração de CO2, independentemente de outras condições de estresse, N. exaltata exibiu uma resposta limitada a todos os estresses a nível fisiológico. Os níveis de lipídios e metabólitos primários em B. oleracea mudaram em resposta ao estresse, o que não 10 ocorreu na N. exaltata. Nossos resultados sugerem que as mudanças climáticas impactam diferencialmente samambaias e angiospermas. Em resumo, a integração de análises metabolômicas e fisiológicas proporciona uma visão detalhada dos mecanismos subjacentes à regulação e adaptação metabólica das plantas. Estas abordagens não apenas oferecem estratégias inovadoras para a análise metabolômica, mas também contribuem para o entendimento das respostas ambientais das plantas, de diferentes grupos, em um mundo em constante mudança climática.
Abstract: In recent years, research on the plant metabolic regulation has significantly advanced thanks to metabolomics, mainly by the emergence of 13C-metabolic flux analysis (13C- MFA), which is revealing complex network patterns of metabolic pathways. Despite significant progress, accurately mapping patterns of in vivo metabolic flux remains challenging. While approaches based on nuclear magnetic resonance have resolved small networks with high accuracy, mass spectrometry methods have been hindered by the lack of atomic-level positional information. This Thesis addresses this limitation through an establishment of a novel approach using gas chromatography (GC) coupled with mass spectrometry (MS) to precisely determine 13C-positional labeling in key metabolites of central metabolism. Validated with reference substances positionally labeled with 13C via GC-electron impact-MS and GC-atmospheric pressure chemical ionization-MS, this approach showcases efficacy in analyzing previous 13C-MFA data in leaves and guard cells. New insights were obtained into glucose, which has carbon atoms preferentially labeled by photosynthesis and gluconeogenesis. Additionally, we provide a platform to investigate 13C-incorporation into malate and glutamate derived from phosphoenolpyruvate carboxylase (PEPc). Our findings revealed that gluconeogenesis and PEPc-mediated CO2 assimilation into malate are activated in a light-independent manner in guard cells, while fluxes from glycolysis and PEPc towards glutamate are restricted by the mitochondrial thioredoxin system in illuminated leaves. We also explored the metabolic dynamics of guard cells after PEPc-mediated CO2 assimilation, under darkness or during dark-to-light transition. Although metabolic changes were largely consistent between dark-exposed and illuminated guard cells, the influence of light on metabolic network structures was evidenced by increased 13C-enrichment in sugars and metabolites associated with the tricarboxylic acid (TCA) cycle. Additionally, given the impact of climate change on plants performance worldwide, we investigated the effects of drought, high temperatures, and high CO2 concentration on a fern (Nephrolepis exaltata) and a typical angiosperm, Brassica oleracea. While B. oleracea exhibited significant physiological responses to high CO2 concentration, independent of other stress conditions, the fern was mostly unresponsive to all stresses at the physiological level. Lipid and primary metabolite levels in B. oleracea changed in response to stress, whereas these metabolic responses were absent in the fern. Our findings suggest differential impacts of climate change on ferns and angiosperms. 12 Collectively, the integration of metabolomics and physiological analyses used in our studies provides comprehensive insights into mechanisms underlying plant metabolic regulation and adaptation, offering innovative strategies for metabolomics analysis and contributing to knowledge of the environmental responses of plants, from different groups, to the conditions of a world undergoing climate change.
URI: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/78631
Currículo Lattes do(s) Autor(es): http://lattes.cnpq.br/6017825936283912
Currículo Lattes do Orientador: http://lattes.cnpq.br/0306680503261422
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
Aparece nas coleções:DBBM - Teses defendidas na UFC

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