Investigação de mecanismos de tolerancia ao frio em genótipos de tolerância ao frio em genótipos de arroz (Oryza sativa L.) da subespécie indica durante as fases iniciais do desenvolvimento

Abstract

Plantas de arroz possuem grande importância para a alimentação humana, para a economia mundial e para a ciência. O Brasil é o maior produtor de arroz fora da Ásia, e mais de 60% do arroz brasileiro é produzido no Rio Grande do Sul, onde as plantas estão sujeitas a estresse por baixas temperaturas nas fases iniciais do desenvolvimento. Genótipos de arroz que apresentam tolerância ao frio são principalmente da subespécie japonica, enquanto que quase todo arroz produzido no Brasil é da subespécie indica, sensível ao frio. Neste trabalho, avaliou-se um grande número de genótipos de arroz indica quanto à tolerância ao frio durante a fase de germinação e em plantas jovens com três a quatro folhas. Foi constatada grande variação entre os genótipos, e duas linhagens oriundas do mesmo cruzamento, porém contrastantes quanto à tolerância ao frio, IRGA 959-1-2-2F-4-1-4-A (tolerante) e IRGA 959-1-2-2F-4-1-4-D-1-CA-1 (sensível), foram identificadas e escolhidas para caracterização. Análises fisiológicas mostraram que a performance fotossintética foi fortemente influenciada pelo frio nos dois genótipos. No entanto, o genótipo tolerante foi capaz de recuperá-la mais rapidamente após a exposição ao frio. A melhor performance parece estar relacionada com uma menor fração de redução de QA - e com o maior tamanho do pool de aceptores finais de elétrons do PSI. Adicionalmente, maiores níveis de ácido linoleico e maior deposição de celulose nas paredes celulares, assim como maior eficiência do sistema antioxidante foram observados no genótipo tolerante. O sequenciamento de bibliotecas de cDNA permitiu identificar genes diferencialmente expressos entre os dois genótipos, nas duas fases de desenvolvimento. Na fase de germinação, foram detectados 1.361 transcritos diferencialmente expressos. Destes, 758 mostraram-se mais expressos no genótipo tolerante ao frio, e 603 mostraram-se mais expressos no genótipo sensível. Este estudo revelou que vários processos são mais ativos no genótipo tolerante, incluindo taxas de divisão celular e de crescimento do coleóptilo. Na fase vegetativa, 1.305 genes exibiram padrões de expressão diferencial. Os produtos destes genes são importantes em várias rotas metabólicas, incluindo fotossíntese, metabolismo de carboidratos, síntese de parede celular, degradação proteica, detoxificação de espécies reativas de oxigênio e sinalização mediada por hormônios e Ca2+. A identificação de genes diferencialmente expressos nos dois genótipos nas fases de germinação e vegetativa, sob estresse por frio, será útil no planejamento de futuras abordagens biotecnológicas visando a tolerância ao frio em genótipos de arroz da subespécie indica.

Rice plants are of great importance for human nutrition, for the world economy and for science. Brazil is the largest rice producer outside Asia, and more than 60% of Brazil's rice is produced in Rio Grande do Sul State, where the plants are subject to stress by low temperatures in the early stages of development. Rice genotypes with cold tolerance belong mainly to the japonica subspecies, while almost all rice produced in Brazil is from the indica subspecies. In this work, we screened a large number of indica rice genotypes for cold tolerance during germination and initial vegetative growth. Large variation between genotypes was observed. Two sister lines with contrasting cold tolerance levels, IRGA 959-1-2-2F-4-1-4-A (tolerant) e IRGA 959-1-2-2F-4-1-4-D-1-CA-1 (sensitive), were identified and chosen for further characterization. Physiological analyses showed that the photosynthetic performance was heavily affected by cold in both genotypes. Recovery of performance indexes after cold exposure was faster in the tolerant genotype. The better performance seems to be related to a lower fraction of the reduced QA - and with a larger pool of the end electron acceptors at the PSI. Additionally, higher linoleic acid levels, higher deposition of cellulose in cell walls, and more efficient antioxidant system were observed in the tolerant genotype. Sequencing of cDNA libraries from plants of both genotypes allowed the identification of genes differentially expressed in the two developmental phases. At the germination stage, 1,361 differentially expressed transcripts were detected: 758 showed higher expression and 603 showed lower expression in seedlings from the cold-tolerant genotype than in the cold-sensitive one. This study revealed that several processes are more active in the cold-tolerant than in the coldsensitive seedlings, including cell division and expansion of the coleoptiles. At the vegetative stage, 1,305 genes exhibited differential expression patterns. Their gene products are important in several metabolic pathways, including photosynthesis, carbohydrate metabolism, cell wall synthesis, fatty acid desaturation, protein degradation, detoxification of reactive oxygen species and Ca2+ and hormone-signaling. The identification of differentially expressed genes in both genotypes during germination and initial vegetative growth, under cold stress, will be useful for planing future biotechnological approaches aiming to cold tolerance in indica rice genotypes.