Bioinformatic strategies to explore iodine transport in plants and its potential application in biofortification

Abstract

O objetivo deste trabalho é contribuir para o conhecimento do transporte de iodo em plantas através do uso de recursos computacionais e ferramentas bioinformáticas. A importância do estudo da utilização e regulação do iodo em espécies de plantas não se esgota em si mesma, visto que poderá ser essencial na construção de uma alternativa ao sal iodado para consumo humano. Esta alternativa poderá ser a biofortificação de plantas em iodo. O iodo é essencial para a saúde humana e a sua deficiência tem um enorme impacto no desenvolvimento infantil e no bem-estar das populações. O transporte de iodo ao nível celular, é uma etapa fundamental no metabolismo deste composto. No entanto, até à data não são conhecidos transportadores de iodo em plantas. Com este propósito, o primeiro passo deste trabalho foi a identificação de proteínas transportadoras de iodo já estudadas em humanos, de forma a selecionar candidatos para a reconstrução de árvores filogenéticas. Quatro proteínas foram selecionadas: Sodium/iodide co-transporter (NIS), Anoctamin-1 (ANO1), Pendrin (PDS), e Cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR). As reconstruções filogenéticas foram obtidas considerando não apenas as plantas, mas também espécies representativas em animais, fungos e algas. Foram detetadas sequências de putativos ortólogos em plantas para cada uma destas reconstruções: transportadores de ureia DUR3 (NIS), transportadores de sulfato SULTR (Pendrin), anoctamin-like proteins (ANO1), and ABC-C subfamily plant protein sequences (CFTR). O organismo modelo Arabidopsis thaliana foi selecionado para as análises subsequentes. Foram obtidos e analisados dados de transcritómica, contendo informação acerca da expressão de genes sob tratamentos com iodo em Arabidopsis thaliana. Seguidamente, foram testadas as diferenças estatisticamente significativas entre fatores, tais como os tecidos e tratamentos, concluindo que tais diferenças existem entre os níveis de expressão em raízes e folhas. Deste modo, foram efetuadas duas análises, separando folhas de raízes no cálculo da expressão relativa dos genes selecionados. Foram detetadas diferenças nos padrões de expressão de genes que codificam proteínas transportadoras entre os diferentes tecidos da planta, com destaque para o gene AtDUR3 nas folhas e para os genes AtMRP7, AtMRP8, AtDUR3, AtSULTR1;3 nas raízes. Para as análises de docking foram selecionadas as seguintes proteínas: AtDUR3, AtTMEM16, AtSULTR1;3, AtSULTR4;2 e AtMRP7. Para tal foram utilizadas previsões de estrutura em 3D, de modo a testar a probabilidade da interação das mesmas com iodeto e iodato. A proteína AtTMEM16 foi a única a apresentar possíveis locais de ligação com iodeto enquanto que todas as restantes proteínas apresentaram possíveis interações com o iodato. No seu conjunto, estes resultados fornecem uma base de proteínas candidatas a estudos posteriores no âmbito do transporte de iodo em plantas, seja num contexto de biologia funcional ou em estratégias de biofortificação de iodo em plantas.

The purpose of this work is to contribute to the knowledge of iodine transport in plants through the use of computational resources and bioinformatics tools. The importance of understanding iodide usage and regulation in plant species lies beyond the scope of its own ends since it could play a vital role in the construction of an alternative to iodized salt for human consumption. This alternative could be iodine biofortified crops. Iodine is essential for human health, and its deficiency has a great impact on child development and wellbeing of populations. At the cellular level, iodine transport is a fundamental step in the metabolism of this compound. However, up until this point, no iodine transporters are known in plants. With this purpose, the first step was identifying Human iodine transporter proteins and selecting candidates to use as queries for phylogenetic reconstructions. Four proteins were selected: the Sodium/iodide co-transporter (NIS), Anoctamin-1 (ANO1), Pendrin (PDS), and the Cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR). Phylogenetic reconstructions were obtained considering not only plants, but also animal, fungi, and algae representative species. Putative ortholog sequences were detected in plants for all these reconstructions: urea transporters DUR3 (NIS), sulphate transporters SULTR (Pendrin), anoctamin-like proteins (ANO1), ABC-C subfamily proteins (CFTR). The plant model species Arabidopsis thaliana was selected to proceed with subsequent analysis, collecting all the detected sequences for a transcriptomic analysis. Transcriptomic data of gene expression under iodide treatments in Arabidopsis thaliana were obtained and analysed. By testing the statistical differences between factors (i.e. different tissues and treatments) significant differences between expression levels in roots and leaves were found. Hence, two separate analyses were conducted considering the relative expression of genes in leaves, and roots of A. thaliana. Different expression patterns were detected between tissues and genes, with highlight for AtDUR3 in the leaves, and AtMRP7, AtMRP8, AtDUR3, and AtSULTR1;3 in the roots. AtDUR3, AtTMEM16, AtSULTR1;3, AtSULTR4;2, and AtMRP7 were selected for docking analysis, by using their predicted 3D structures, and testing for the likelihood of these interacting with iodide ions and iodate. Whilst iodide ion is only predicted to bind with AtTMEM16, iodate is likely to interact with all the other proteins tested. Overall, these analyses resulted in a set of candidate proteins to be considered in further studies of iodide transport in plants for functional biology research or iodine biofortification strategies.