Increased calcium levels and prolonged shelf life in tomatoes expressing Arabidopsis H+/Ca2+ transporters

Resumo

Aqui demonstramos que os frutos de plantas de tomate (Lycopersicon esculentum) que expressam trocadores H+/cátions (CAX) de Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) têm mais cálcio (Ca2+) e vida útil prolongada em comparação com os controles. Anteriormente, usando o prototípico CAX1, foi demonstrado que, em células de levedura (Saccharomyces cerevisiae), os transportadores CAX são ativados quando a região autoinibitória N-terminal é excluída, dando origem a um CAX truncado N-terminal (sCAX), ou alterada por meio de manipulações específicas. Para continuar a entender a diversidade da função do CAX, usamos ensaios em levedura para caracterizar as propriedades de transporte putativo do CAX4 e das variantes N-terminais do CAX4. As variantes do CAX4 podem suprimir os fenótipos de levedura hipersensíveis ao Ca2+ e também parecem ser transportadores de Ca2+ mais específicos do que o sCAX1. Em seguida, comparamos os fenótipos das linhagens de tomate que expressam sCAX1 e CAX4. As linhagens de tomate que expressam sCAX1 demonstram aumento do transporte vacuolar de H+/Ca2+, quando medido no tecido da raiz, nível elevado de Ca2+ nos frutos e vida útil prolongada, mas apresentam alterações graves no desenvolvimento e na morfologia da planta, incluindo aumento da incidência de podridão da extremidade da flor. As plantas que expressam CAX4 demonstram aumentos mais modestos nos níveis de Ca2+ e no tempo de prateleira, mas sem efeitos negativos no crescimento da planta. Essas descobertas sugerem que a expressão de CAX pode fortificar as plantas com Ca2+ e pode servir como uma alternativa à aplicação de CaCl2 usada para estender a vida útil de vários produtos agrícolas importantes. Entretanto, é necessária uma regulação criteriosa do transporte de CAX para garantir o crescimento ideal da planta.

Abstract

Here we demonstrate that fruit from tomato (Lycopersicon esculentum) plants expressing Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) H(+)/cation exchangers (CAX) have more calcium (Ca2+) and prolonged shelf life when compared to controls. Previously, using the prototypical CAX1, it has been demonstrated that, in yeast (Saccharomyces cerevisiae) cells, CAX transporters are activated when the N-terminal autoinhibitory region is deleted, to give an N-terminally truncated CAX (sCAX), or altered through specific manipulations. To continue to understand the diversity of CAX function, we used yeast assays to characterize the putative transport properties of CAX4 and N-terminal variants of CAX4. CAX4 variants can suppress the Ca2+ hypersensitive yeast phenotypes and also appear to be more specific Ca2+ transporters than sCAX1. We then compared the phenotypes of sCAX1- and CAX4-expressing tomato lines. The sCAX1-expressing tomato lines demonstrate increased vacuolar H(+)/Ca2+ transport, when measured in root tissue, elevated fruit Ca2+ level, and prolonged shelf life but have severe alterations in plant development and morphology, including increased incidence of blossom-end rot. The CAX4-expressing plants demonstrate more modest increases in Ca2+ levels and shelf life but no deleterious effects on plant growth. These findings suggest that CAX expression may fortify plants with Ca2+ and may serve as an alternative to the application of CaCl2 used to extend the shelf life of numerous agriculturally important commodities. However, judicious regulation of CAX transport is required to assure optimal plant growth.