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Machado KLDG, Faria DV, Duarte MBS, Silva LAS, de Oliveira TDR, Falcão TCA, Batista DS, Costa MGC, Santa-Catarina C, Silveira V, Romanel E, Otoni WC, Nogueira FTS. Plant age-dependent dynamics of annatto pigment (bixin) biosynthesis in Bixa orellana. JOURNAL OF EXPERIMENTAL BOTANY 2024; 75:1390-1406. [PMID: 37975812 DOI: 10.1093/jxb/erad458] [Citation(s) in RCA: 0] [Impact Index Per Article: 0] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Key Words] [MESH Headings] [Grants] [Track Full Text] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 06/08/2023] [Accepted: 11/15/2023] [Indexed: 11/19/2023]
Abstract
Age affects the production of secondary metabolites, but how developmental cues regulate secondary metabolism remains poorly understood. The achiote tree (Bixa orellana L.) is a source of bixin, an apocarotenoid used in diverse industries worldwide. Understanding how age-dependent mechanisms control bixin biosynthesis is of great interest for plant biology and for economic reasons. Here we overexpressed miRNA156 (miR156) in B. orellana to comprehensively study the effects of the miR156-SQUAMOSA PROMOTER BINDING PROTEIN-LIKE (SPL) module on age-dependent bixin biosynthesis in leaves. Overexpression of miR156 in annatto plants (miR156ox) reduced BoSPL transcript levels, impacted leaf ontogeny, lessened bixin production, and increased abscisic acid levels. Modulation of expression of BoCCD4-4 and BoCCD1, key genes in carotenoid biosynthesis, was associated with diverting the carbon flux from bixin to abscisic acid in miR156ox leaves. Proteomic analyses revealed an overall low accumulation of most secondary metabolite-related enzymes in miR156ox leaves, suggesting that miR156-targeted BoSPLs may be required to activate several secondary metabolic pathways. Our findings suggest that the conserved BomiR156-BoSPL module is deployed to regulate leaf dynamics of bixin biosynthesis, and may create novel opportunities to fine-tune bixin output in B. orellana breeding programs.
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Affiliation(s)
- Kleiton Lima de Godoy Machado
- Departamento de Biologia Vegetal/Laboratório de Cultura de Tecidos Vegetais/BIOAGRO, Campus Universitário, Universidade Federal de Viçosa, 36570-900, Viçosa, MG, Brazil
| | - Daniele Vidal Faria
- Departamento de Biologia Vegetal/Laboratório de Cultura de Tecidos Vegetais/BIOAGRO, Campus Universitário, Universidade Federal de Viçosa, 36570-900, Viçosa, MG, Brazil
| | - Marcos Bruno Silva Duarte
- Departamento de Biologia Vegetal/Laboratório de Cultura de Tecidos Vegetais/BIOAGRO, Campus Universitário, Universidade Federal de Viçosa, 36570-900, Viçosa, MG, Brazil
| | - Lázara Aline Simões Silva
- Departamento de Biologia Vegetal/Laboratório de Cultura de Tecidos Vegetais/BIOAGRO, Campus Universitário, Universidade Federal de Viçosa, 36570-900, Viçosa, MG, Brazil
| | - Tadeu Dos Reis de Oliveira
- Laboratório de Biologia Celular e Tecidual (LBCT), Centro de Biociências e Biotecnologia (CBB), Universidade Estadual do Norte Fluminense Darcy Ribeiro (UENF), 28013-602, Campos dos Goytacazes, RJ, Brazil
| | - Thais Castilho Arruda Falcão
- Laboratório de Genômica de Plantas e Bioenergia (PGEMBL), Departamento de Biotecnologia, Escola de Engenharia de Lorena (EEL), Universidade de São Paulo (USP), 12602-810, Lorena, SP, Brazil
| | - Diego Silva Batista
- Departamento de Agricultura, Universidade Federal da Paraíba, Campus III, 58220-000, Bananeiras, PB, Brazil
| | | | - Claudete Santa-Catarina
- Laboratório de Biologia Celular e Tecidual (LBCT), Centro de Biociências e Biotecnologia (CBB), Universidade Estadual do Norte Fluminense Darcy Ribeiro (UENF), 28013-602, Campos dos Goytacazes, RJ, Brazil
| | - Vanildo Silveira
- Laboratório de Biotecnologia (LBT), CBB-UENF, Campos dos Goytacazes, RJ, Brazil
| | - Elisson Romanel
- Laboratório de Genômica de Plantas e Bioenergia (PGEMBL), Departamento de Biotecnologia, Escola de Engenharia de Lorena (EEL), Universidade de São Paulo (USP), 12602-810, Lorena, SP, Brazil
| | - Wagner Campos Otoni
- Departamento de Biologia Vegetal/Laboratório de Cultura de Tecidos Vegetais/BIOAGRO, Campus Universitário, Universidade Federal de Viçosa, 36570-900, Viçosa, MG, Brazil
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Otoni WC, Machado KLG, de Freitas Correia LN, Matos EM, Sousa ES, Silva LAS, Martins SB, Koehler AD, Neto VBP, Botelho MN, Faria DV, Cruz ACF, Mantovani NC, Rodrigues SM, Moreira VS, Soares VLF, Barrera-Rojas CH, Rocha DI, Xavier A, Viccini LF, Batista DS, Nogueira FTS, Costa MGC. Advances in Tissue Culture and Transformation Studies in Non-model Species: Bixa orellana L. (Bixaceae). Methods Mol Biol 2024; 2827:223-241. [PMID: 38985274 DOI: 10.1007/978-1-0716-3954-2_16] [Citation(s) in RCA: 0] [Impact Index Per Article: 0] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Key Words] [MESH Headings] [Track Full Text] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Indexed: 07/11/2024]
Abstract
Over the years, our team has dedicated significant efforts to studying a unique natural dye-producing species, annatto (Bixa orellana L.). We have amassed knowledge and established foundations that support the applications of gene expression analysis in comprehending in vitro morphogenic regeneration processes, phase transition aspects, and bixin biosynthesis. Additionally, we have conducted gene editing associated with these processes. The advancements in this field are expected to enhance breeding practices and contribute to the overall improvement of this significant woody species. Here, we present a step-by-step protocol based on somatic embryogenesis and an optimized transformation protocol utilizing Agrobacterium tumefaciens.
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Affiliation(s)
- Wagner Campos Otoni
- Laboratório de Cultura de Tecidos-LCT, Instituto de Biotecnologia Aplicada à Agropecuária-BIOAGRO, Departamento de Biologia Vegetal, Universidade Federal de Viçosa, Viçosa, MG, Brazil.
| | - Kleiton Lima Godoy Machado
- Laboratório de Cultura de Tecidos-LCT, Instituto de Biotecnologia Aplicada à Agropecuária-BIOAGRO, Departamento de Biologia Vegetal, Universidade Federal de Viçosa, Viçosa, MG, Brazil.
| | - Ludmila Nayara de Freitas Correia
- Laboratório de Cultura de Tecidos-LCT, Instituto de Biotecnologia Aplicada à Agropecuária-BIOAGRO, Departamento de Biologia Vegetal, Universidade Federal de Viçosa, Viçosa, MG, Brazil
| | - Elyabe Monteiro Matos
- Laboratório de Genética e Biotecnologia, ICB, Departamento de Biologia, Universidade Federal de Juiz de Fora, Juiz de Fora, MG, Brazil
| | - Elisandra Silva Sousa
- Laboratório de Cultura de Tecidos-LCT, Instituto de Biotecnologia Aplicada à Agropecuária-BIOAGRO, Departamento de Biologia Vegetal, Universidade Federal de Viçosa, Viçosa, MG, Brazil
| | - Lázara Aline Simões Silva
- Laboratório de Cultura de Tecidos-LCT, Instituto de Biotecnologia Aplicada à Agropecuária-BIOAGRO, Departamento de Biologia Vegetal, Universidade Federal de Viçosa, Viçosa, MG, Brazil
| | - Sandy Bastos Martins
- Laboratório de Cultura de Tecidos-LCT, Instituto de Biotecnologia Aplicada à Agropecuária-BIOAGRO, Departamento de Biologia Vegetal, Universidade Federal de Viçosa, Viçosa, MG, Brazil
| | - Andréa Dias Koehler
- Laboratório de Cultura de Tecidos-LCT, Instituto de Biotecnologia Aplicada à Agropecuária-BIOAGRO, Departamento de Biologia Vegetal, Universidade Federal de Viçosa, Viçosa, MG, Brazil
| | - Vespasiano Borges Paiva Neto
- Universidade Federal do Vale do São Francisco (UNIVASF), Campus de Ciências Agrárias, Colegiado de Engenharia Agronômica, Petrolina, PE, Brazil
| | - Marcel Nascimento Botelho
- Universidade Federal Rural da Amazônia, Instituto Socioambiental e dos Recursos Hídricos, Belém, PA, Brazil
| | - Daniele Vidal Faria
- Laboratório de Cultura de Tecidos-LCT, Instituto de Biotecnologia Aplicada à Agropecuária-BIOAGRO, Departamento de Biologia Vegetal, Universidade Federal de Viçosa, Viçosa, MG, Brazil
| | - Ana Claudia Ferreira Cruz
- LCT/BIOAGRO, Departamento de Engenharia Florestal, Universidade Federal de Viçosa, Viçosa, MG, Brazil
| | - Nilton César Mantovani
- Departamento de Engenharia Florestal, Universidade Federal de Santa Maria, Campus Frederico Westphalen, Frederico Westphalen, RS, Brazil
| | | | - Viviane Santos Moreira
- Departamento de Ciências Biológicas, Centro de Biotecnologia e Genética, Universidade Estadual de Santa Cruz, Ilhéus, BA, Brazil
| | - Virginia Lúcia Fontes Soares
- Departamento de Ciências Biológicas, Centro de Biotecnologia e Genética, Universidade Estadual de Santa Cruz, Ilhéus, BA, Brazil
| | - Carlos Hernán Barrera-Rojas
- Departamento de Ciências Biológicas, Escola Superior de Agricultura Luiz de Queiroz-ESALQ, Piracicaba, SP, Brazil
| | - Diego Ismael Rocha
- Departamento de Agronomia, Universidade Federal de Viçosa, Viçosa, MG, Brazil
| | - Aloisio Xavier
- LCT/BIOAGRO, Departamento de Engenharia Florestal, Universidade Federal de Viçosa, Viçosa, MG, Brazil
| | - Lyderson Facio Viccini
- Laboratório de Genética e Biotecnologia, ICB, Departamento de Biologia, Universidade Federal de Juiz de Fora, Juiz de Fora, MG, Brazil
| | - Diego Silva Batista
- Departamento de Agricultura, Universidade Federal da Paraíba, Campus Universitário III, Bananeiras, PB, Brazil
| | | | - Marcio Gilberto Cardoso Costa
- Departamento de Ciências Biológicas, Centro de Biotecnologia e Genética, Universidade Estadual de Santa Cruz, Ilhéus, BA, Brazil
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