Abiotic stress in plants: Late Embryogenesis Abundant proteins

Abstract

In order to improve our understanding on LEA proteins and their molecular functions in drought tolerance, the present work analyzes in the first place, the composition of LEA subproteomes from Arabidopsis seeds and maize embryos; second, three maize embryo LEA proteins from groups 1, 2, and 3 are analyzed in order to detect functional differences among them and finally, transgenic maize plants over-expressing group 5 “rab28” lea gene are characterized. The following results are presented:

- Chapter 1. Proteomic approach to analyze the composition of LEA subproteomes from Arabidopsis seeds by mass spectrometry. The main objective was the development and isolation method to obtain enriched LEA populations from Arabidopsis seeds. LEA subproteomes were obtained using an extraction procedure that combines heat stability and acid solubility of LEA proteins. To identify the protein content, we followed two approaches: first, a classical 1D (SDSPAGE) gel-based procedure associated with MS analysis using an electrospray ionization source coupled on-line to liquid chromatography (LC-ESI-MSMS) and second, a gel-free protocol associated with an off-line HPLC and analysis via matrix assisted laser desorption/ionization (LC-MALDI-MSMS).

- Chapter 2. Proteomic analysis of LEA proteins accumulated in maize mature seeds. Identification of LEA protein content by mass spectrometry and selection of three LEA proteins, Emb564, Rab17 and Mlg3, as representatives of groups 1, 2 and 3 for further study. Comparative functional analysis covering different aspects of maize Emb564, Rab17 and Mlg3 proteins, posttranslational modifications, subcellular localization and their properties in in-vitro and in- vivo assays.

- Chapter 3. Characterization of transgenic maize plants expressing maize group 5 rab28 LEA gene under the ubiquitin promoter. Evaluation of Rab28 transcripts and protein levels, phenotype and stress tolerance traits of transgenic plants under drought stress. Investigation of the subcellular localization of transgenic and wild-type Rab28 protein using immunocytochemical approaches.

Las proteínas LEA, originalmente fueron descritas en las semillas de algodón; se acumulan en grandes cantidades en estructuras tolerantes a la desecación (semillas, polen) y en tejidos vegetativos sometidos a estrés abiótico, sequía, salinidad y frío. También se hallan en organismos anidrobióticos, en plantas de resurrección, algunos invertebrados y microorganismos. La presencia de proteínas LEA se correlaciona con la adquisición de tolerancia a la desecación. Desde un principio se les atribuyó un papel en las respuestas de las plantas en la adaptación al estrés (revisado en Bartels and Salamini 2001, Tunnacliffe 2007, Shih et al. 2010, Tunnacliffe 2010, Hand et al. 2011). Las proteínas LEA se clasifican en diversos grupos en función de dominios y secuencias de aminoácidos específicos (Wise 2010, Batagglia et al 2008, Bies-Ethève et al 2008). Los grupos 1, 2 y 3 son los más relevantes ya que abarcan la mayoría de las proteínas de la familia LEA. Una característica general de estas proteínas es su elevada hidrofilicidad, alto contenido de aminoácidos cargados y su falta de estructura en estado hidratado. A pesar de encontrarse mayoritariamente en forma de “random coil”, algunas adquieren un cierto grado de estructura durante la deshidratación o en la presencia de agentes promotores de α-hélices (Shih et al. 2010, Hand et al. 2011). A nivel celular se han hallado en todas las localizaciones, citosol, núcleo, nucleolo, mitocondria, cloroplasto, vacuola, retículo endoplásmico, peroxisoma y membrana plasmática, donde se supone ejercen su función protectora frente al estrés (Tunnacliffe and Wise 2007, Hundertmark and Hincha 2008). En relación a las modificaciones post-traduccionales, algunas se hallan fosforiladas (Jiang and Wang 2004; Plana et al. 1991, Heyen et al. 2002, Rohrig et al. 2006). Los efectos protectores de las varias proteínas LEA se han demostrado mediante ensayos in vitro y en aproximaciones transgénicas que han dado lugar a fenotipos resistentes a la sequía, sal y frío. Por lo general, se considera que estas proteínas contribuyen a la protección y a la estabilización de macromoléculas y estructuras celulares en las respuestas de adaptación al estrés en plantas; sin embargo, sus funciones específicas aún no han sido esclarecidas. A nivel molecular se ha propuesto que las funciones de las proteínas LEA pueden ser variadas: estabilización y renaturalización de proteínas, mantenimiento de membranas, en combinación, o no, con azúcares, tampones de hidratación (substitución de moléculas de agua), afinidad por iones y función antioxidante (Tunnacliffe and Wise 2007, Shih et al. 2010, Batagglia et al. 2008). Para finalizar, diremos que los objetivos principales de esta tesis consisten en ampliar los conocimientos sobre las proteínas LEA y sus funciones relativas a la tolerancia a la sequía. Los resultados están presentados en forma de capítulos.