زیرعملکردی‌سازی ژن‌های ایزومراز D27 در زعفران

کروموپلاست‌ها و کلروپلاست‌ها حاوی رنگدانه‌های کاروتنوئیدی به عنوان ایزومرهای all-trans- و cis- هستند که به عنوان رنگدانه‌های کمکی جذب نور، عوامل آنتی‌اکسیدان و فوتوپروتکتیو عمل می‌کنند و پیش‌سازهای مولکول‌های سیگنالینگ و هورمون‌های گیاهی هستند. مسیر کاروتنوئید شامل مشارکت ایزومرازهای مختلف کاروتنوئید است. در میان آن‌ها، D27 یک ایزومراز β-کاروتن است که specificity بالایی برای پیوند دوگانه C9-C10 نشان می‌دهد و تبدیل all-trans- به 9-cis-β-کاروتن، پیش‌ساز استرگولاکتون‌ها را کاتالیز می‌کند. ما یک ژن D27 (CsD27-1) و دو ژن D27-like (CsD27-2 و CsD27-3) را در زعفران شناسایی کردیم، که CsD27-1 و CsD27-3 به طور واضح در الگوهای بیان خود متفاوت هستند؛ به طور خاص، CsD27-1 عمدتاً در پرچم توسعه‌نیافته و ریشه‌ها بیان می‌شود، جایی که توسط کلونیزاسیون Rhizobium القا می‌شود. برعکس، CsD27-2 و CsD27-3 عمدتاً در برگ‌ها بیان می‌شوند، با بیان ترجیحی CsD27-3 در این بافت. آزمایش‌های in vivo نشان می‌دهد که CsD27-1 ایزومریزاسیون all-trans- به 9-cis-β-کاروتن را کاتالیز می‌کند و ممکن است در ایزومریزاسیون زئاکسانتین دخیل باشد، در حالی که CsD27-3 ایزومریزاسیون all-trans- به cis-ζ-کاروتن و all-trans- به cis-نوروسپورن را کاتالیز می‌کند. داده‌های ما نشان می‌دهد که آنزیم‌های CsD27-1 و CsD27-3 هر دو در ایزومریزاسیون کاروتنوئید دخیل هستند، با CsD27-1 خاص برای بافت‌های حاوی کروموپلاست/آمیلوپلاست، و CsD27-3 خاص‌تر برای بافت‌های حاوی کلروپلاست. علاوه بر این، ما نشان دادیم که CsD27-1 با CCD7 و CCD8 در ریشه‌های میکورایز شده هم‌بیان می‌شود، در حالی که CsD27-3 در سطوح بالاتری نسبت به CRTISO و Z-ISO بیان می‌شود و تنظیم شبانه‌روزی در برگ‌ها را نشان داد. در کل، داده‌های ما دانش در مورد ایزومریزاسیون کاروتنوئید و پیامدهای آن در چندین فرآیند فیزیولوژیکی و اکولوژیکی را گسترش می‌دهد.

Chromoplasts and chloroplasts contain carotenoid pigments as all-trans- and cis-isomers, which function as accessory light-harvesting pigments, antioxidant and photoprotective agents, and precursors of signaling molecules and plant hormones. The carotenoid pathway involves the participation of different carotenoid isomerases. Among them, D27 is a β-carotene isomerase showing high specificity for the C9-C10 double bond catalyzing the interconversion of all-trans- into 9-cis-β-carotene, the precursor of strigolactones. We have identified one D27 (CsD27-1) and two D27-like (CsD27-2 and CsD27-3) genes in saffron, with CsD27-1 and CsD27-3, clearly differing in their expression patterns; specifically, CsD27-1 was mainly expressed in the undeveloped stigma and roots, where it is induced by Rhizobium colonization. On the contrary, CsD27-2 and CsD27-3 were mainly expressed in leaves, with a preferential expression of CsD27-3 in this tissue. In vivo assays show that CsD27-1 catalyzes the isomerization of all-trans- to 9-cis-β-carotene, and could be involved in the isomerization of zeaxanthin, while CsD27-3 catalyzes the isomerization of all-trans- to cis-ζ-carotene and all-trans- to cis-neurosporene. Our data show that CsD27-1 and CsD27-3 enzymes are both involved in carotenoid isomerization, with CsD27-1 being specific to chromoplast/amyloplast-containing tissue, and CsD27-3 more specific to chloroplast-containing tissues. Additionally, we show that CsD27-1 is co-expressed with CCD7 and CCD8 mycorrhized roots, whereas CsD27-3 is expressed at higher levels than CRTISO and Z-ISO and showed circadian regulation in leaves. Overall, our data extend the knowledge about carotenoid isomerization and their implications in several physiological and ecological processes.