História evolutiva das osmotinas em plantas e seu papel na resposta à seca em soja [Glycine max (L.) Merrill]

Abstract

As plantas são constantemente expostas a estresses bióticos e abióticos. Em resposta a estas adversidades expressam diversas proteínas de defesa, dentre elas as proteínas da família Thaumatins-like (TLPs), também conhecidas por Pathogenesis-related protein 5 (PR5). As TLPs podem ser encontradas em diferentes espécies vegetais e são denominadas de acordo com a sua atividade biológica. Dentre elas destacam-se as osmotinas, proteínas multifuncionais descobertas inicialmente em células de tabaco, adaptadas a baixos potenciais hídricos. Ao longo do tempo, osmotinas de diferentes espécies vegetais vem sendo identificadas e relacionadas com a tolerância a estresses. Apesar disso, sua origem e diversificação ao longo da evolução da família das TLPs continua desconhecida. Para elucidar esta questão, o presente trabalho se baseou no método Bayesiano e foi construída uma árvore filogenética contendo 722 sequências de 32 espécies de Viridiplantae. O agrupamento de proteínas já caracterizadas como osmotinas com outras putativas osmotinas, permitiu a identificação de sua origem a partir das espermatófitas. Os resultados indicam que a separação filogenética e expansão gênica decorreram do surgimento e organização de motivos exclusivos do grupo das osmotinas, seguidos de duplicações em bloco e em tandem. Além disso, a partir da árvore filogenética gerada, foram confirmadas quatro osmotinas de soja já caracterizadas e identificada uma nova osmotina denominada GmOLPc. Inúmeros trabalhos tem demonstrado que as osmotinas desempenham um importante papel na tolerância à seca em diferentes espécies vegetais. No presente estudo, foi investigada a estrutura e o papel das osmotinas de soja em cultivares contrastantes na resposta à seca. A osmotina de soja denominada P21-like apresentou potencial eletrostático semelhante às osmotinas já caracterizadas como promotoras de tolerância à seca de Nicotiana tabacum e Solanum nigrum. As análises de expressão gênica das diferentes osmotinas de soja indicaram sua relação com a resposta ao estresse hídrico. Além disso, foi observado um aumento significativo de transcritos dos gene codificadores das osmotinas GmOLPc e P21-like nas folhas e raízes, respectivamente, da cultivar tolerante EMBRAPA 48. Este resultado reforça o possível papel dessas proteínas na tolerância à seca.

Plants are constantly exposed to biotic and abiotic stresses. In response to these adversities, they express several defense proteins, including the Thaumatins-like family proteins (TLPs), also known as Pathogenesis-related protein 5 (PR5). TLPs can be found in different plant species and are named according to their biological activity. Among them are the osmotins, multifunctional proteins initially discovered in tobacco cells adapted to low water potentials. Over time, osmotins from different plant species have been identified and related to stress tolerance. Despite this, its origin and diversification throughout the evolution of the TLP family remains unknown. To elucidate this question, the present work was based on the Bayesian method and a phylogenetic tree was constructed containing 722 sequences from 32 species of Viridiplantae. The grouping of proteins already characterized as osmotins with other putative osmotins allowed the identification of their origin from spermatophytes. The results indicate that the phylogenetic separation and gene expansion resulted from the emergence and organization of exclusive motifs of the osmotin group, followed by block and tandem duplications. In addition, from the phylogenetic tree generated, four previously characterized soybean osmotins were confirmed and a new osmotin named GmOLPc was identified. Numerous studies have shown that osmotins play an important role in drought tolerance in different plant species. In the present study, the structure and role of soybean osmotins in response to drought were investigated in soybean contrasting cultivars. The so-called P21-like soybean osmotin presented electrostatic potential similar to the osmotins of Nicotiana tabacum and Solanum nigrum already characterized as drought tolerance promoters. The gene expression analysis of the different soybean osmotins indicated their relationship with the response to water stress. In addition, a significant increase in transcripts of the GmOLPc and P21-like encoding osmotins in the leaves and roots, respectively, of the tolerant cultivar EMBRAPA 48 was observed. This result reinforces the possible role of these proteins in drought tolerance.