Identificação e caracterização de famílias gênicas relacionadas à morte celular programada em plantas

Abstract

Previsões indicam que o Brasil deverá assumir a liderança na exportação de produtos agrícolas a partir de 2024. Em 2017, estima-se que a agricultura brasileira poderá ter a maior safra da história. Nesse contexto, investimentos em pesquisas científicas em plantas modelo e em espécies relevantes economicamente são de vital importância a fim de permitir a manutenção do crescimento do setor agrícola em nosso país. Embora o cenário seja positivo e bastante promissor, diversos estresses ambientais afetam a agricultura, ocasionando perdas severas em produtividade e rendimento. Estresses bióticos e abióticos, como seca, alagamento, doenças e patógenos são grandes contribuintes para a diminuição do potencial genético de desenvolvimento e reprodução das culturas agrícolas. Os mecanismos moleculares envolvidos na tolerância/resistência a estresses têm sido intensamente estudados, com grande ênfase nos mecanismos de resposta inerentes aos estresses individuais. Em plantas, um dos processos desencadeados em resposta a estresses é conhecido como Morte Celular Programada (Programmed cell death-PCD). A ocorrência de PCD em plantas é anteriormente marcada pela resposta de hipersensibilidade (hypersensitive response – HR), uma forma de PCD seguida por autólise. Diversas famílias gênicas são sabidamente envolvidas com o processo de PCD em plantas e foram recentemente propostas como integrantes de uma rede de controle de PCD, conhecida como morteossomo (deathsome). Entre essas famílias envolvidas com PCD, muitas são apenas conhecidas superficialmente ou apresentam alguns poucos genes já caracterizados, como as família LSD (Lesion Simulating Disease), Metacaspase, NF-Y (Nuclear Factor Y), PLAC8 (Placenta Specific 8) e GILP (GSH-induced LITAF domain protein). Devido à importância dos mecanismos desencadeados em estresses, investigações detalhadas dos genes atuantes em HR e PCD podem contribuir expressivamente para a completa compreensão das rotas de resposta induzidas durante esses processos. A presente tese enquadrou-se no contexto atual de valer-se de diferentes ferramentas de bioinformática, tendo como objetivo final a caracterização in silico de cinco famílias gênicas relacionadas com PCD em plantas: LSD, Metacaspase, NF-Y, PLAC8 e GILP. A identificação de todos os genes pertencentes a essas famílias, bem como a descrição detalhada da estrutura gênica e proteica permitiu a determinação de muitos aspectos próprios de cada família, os quais podem explicar seu envolvimento em PCD. Somados a esses dados, aspectos evolutivos de cada família gênica também foram investigados. Nossos resultados servem como base para trabalhos aprofundados considerando genes específicos, além de representar o ponto inicial para a compreensão da função dessas famílias em plantas, especialmente no mecanismo de PCD.

Predictions indicate that Brazil should reach the leadership in the exportation of agricultural products until 2024. In 2017, it is estimated that Brazilian agriculture may have the highest harvest in the history. In order to maintain the growth of the agricultural sector in our country, investments in scientific research in model plants and in economically relevant species are very important. Although the scenario is very positive and promising, numerous environmental stresses affect agriculture, causing severe losses in productivity and yield. Biotic and abiotic stresses, such as drought, flooding, diseases and pathogens are major contributors to a decrease in the genetic potential for development and reproduction of agricultural crops. The molecular mechanisms involved in tolerance/resistance to biotic and abiotic stresses have been intensively studied, with focus in the response mechanisms inherent to individual stresses. In plants, one of the processes triggered in response to stresses is known as Programmed Cell Death (PCD). The occurrence of PCD in plants is marked by the previously hypersensitivity response (HR), a form of PCD followed by autolysis. Several gene families are known to be involved with the PCD process in plants and have been recently described as members of a PCD network, known as deathsome. The majority families involved with PCD are poor understood. Some of them present few genes already characterized, such as the Metacaspase, NF-Y (Nuclear Factor Y), PLAC8 (Placenta Specific 8) and GILP (GSH-induced LITAF domain protein) family. Due to the importance of the mechanisms triggered in stresses, detailed investigations considering the genes involved in HR and PCD can contribute for a complete understanding of the responses induced during these processes. The present thesis is based on bioinformatics tools, aiming the in silico characterization of five gene families related to PCD in plants: LSD, Metacaspase, NF-Y, PLAC8 and GILP. The identification of all genes belonging to these families, as well as a detailed description of gene and protein structure allowed a determination of several aspects own of each family, which can explain their involvement in the PCD. In addition, evolutionary aspects from each family were also investigated. Our results will serve as a basis for future deep studies considering specific genes and represents the starting point for understand the role of these gene families in plants, especially in PCD mechanism.