A study of molecular responses to abiotic and biotic stresses in Arachis

Abstract

Em seu ambiente natural, as plantas são expostas a uma série de estresses abióticos e bióticos. Entre eles, a seca é um grande obstáculo à agricultura e, em associação com patógenos e pragas, pode causar prejuízos de até US$ 38 bilhões de 2005 a 2015, e comprometer a segurança alimentar. Com as mudanças climáticas e aquecimento global, esse cenário tende a agravar-se, aumentando a ocorrência de secas, a amplitude da gama de hospedeiros e virulência de agentes patogênicos. O estudo da resposta molecular à estresses individuais em diferentes plantas assim como a resposta a estresses combinados, constitui um grande avanço, para a compreensão de possíveis trade-offs entre tolerância e suscetibilidade à estresses abióticos e bióticos, quanto o desenvolvimento de cultivares mais resistentes. Visando um melhor entendimento da resposta moleculares de plantas, o presente estudo empregou diferentes ferramentas, como genômica comparativa e transcritomas. O uso dessas ferramentas visou a identificação de genes comumente regulados por diferentes estresses. No capítulo I, o transcritoma de quatro diferentes espécies de plantas (Arachis stenosperma, Coffea arabica, Glycine max e Oryza glaberrima) inoculadas com nematoides das galhas (Meloidogyne spp.) foram analisados e combinados com dados de genômica comparativa gerados a partir do proteoma de 22 espécies de plantas. No total, 17 famílias de proteínas ortólogas são comumente reguladas pela inoculação de nematoides das galhas, representando ao todo 364 proteínas. A anotação funcional desses ortogrupos indicou que a maioria dessas proteínas está associada à parede celular, receptores quinases e a estresse, e tendo uma única família de fatores de transcrição representada, ERF a qual desempenha um papel fundamental na resposta de defesa da planta. No Capítulo II, a análise do transcritoma de Arachis stenosperma submetido à combinação de dois estresses, seca e inoculação por nematoides das galhas, foi realizada. Diversos genes de resistência a estresses combinados foram identificados sendo que uma resposta transcricional distinta foi observada quando da imposição de estresses combinados, quando comparada a estresses individuais. Apenas 14 genes foram encontrados em comum entre a seca, inoculação por nematoides e estresses combinados e 209 genes foram exclusivamente regulados no tratamento combinado. Este resultado demonstra que uma reprogramação molecular única é empregada pela planta sob múltiplos estresses, o que não pode ser previsto pela análise de cada estresse aplicado individualmente. A análise de genômica comparativa e a análise de estresse combinado realizadas no presente estudo permitiram a identificação de famílias de genes essenciais à resistência / tolerância de plantas. A família das expansinas, a qual foi modulada durante a seca, infecção por RKN e UV, revelando uma importante família de genes em resposta a múltiplos estresses e em espécies distintas; e um gene de desidrina, cuja superexpressão em Arabidopsis revelou um importante trade-off entre estresses abióticos e bióticos.

In their natural environment plants are exposed to a range of abiotic and biotic stresses. Among them, drought is a major constraint to agriculture and, in association with pathogen and pests, can cause losses of up to $38 billion from 2005 to 2015 and compromise food security. With the advent of climate change and global warming, this scenario tends to become worse, with an increase in drought occurrence and pathogen`s host range and virulence. Breeding programs are doing great efforts to find solutions to improve multiple stress resistance in plants, however, the trade-offs between abiotic stress tolerance and biotic stress susceptibility have hardly been investigated. Here, a comparative genomics study was conducted, which has the potential to identify putative evolutionarily conserved genes involved in universal defense mechanisms, to identify genes regulated in common by Meloidogyne spp infection in four plant species (Arachis stenosperma, Coffea arabica, Glycine max, and Oryza glaberrima). In total, 17 orthologs protein families which respond to the inoculation of RKN in the four species, comprising a total of 364 proteins. The functional annotation of these orthogroups indicated that the majority of these genes are associated with the cell wall, receptor kinases and stress related, with the transcription factor ERF playing a pivotal role in these defense responses. A number of multiple-stress resistant genes was identified by analyzing the transcriptome of a resistant wild Arachis species, A. stenosperma, under the combination of RKN and drought imposition. An overall distinct transcriptional response was observed for the combinatory stress imposition when compared to each individual stress, with only 14 genes found in common among drought, nematode infection and combined stresses and 209 exclusively regulated genes within the combined treatment. This result demonstrates that a unique molecular reprogramming is employed by the plant under multiple stresses, which cannot be predicted by the analysis of each individual stress alone. The comparative genomics and the cross-stress analysis conducted in this study enabled the identification of genes families which are essential to plant resistance/tolerance. The gene family of the expansins which was modulated during drought, RKN infection and UV, disclosing an important gene family in response to multiple stresses and across species; and a dehydrin gene, 13 which overexpression in Arabidopsis revealed an important trade-off between abiotic and biotic stresses.