Efeito de inibidores metabólicos e análise do transcriptoma de Conyza sumatrensis para caracterização do mecanismo de resistência ao herbicida 2,4-d relacionado à rápida necrose

Abstract

O mecanismo de resistência ao herbicida auxínico 2,4-D relacionado ao sintoma atípico de rápida necrose foliar em buva ainda é desconhecido. Os objetivos deste estudo foram caracterizar o mecanismo de resistência ao 2,4-D relacionado a rápida necrose em Conyza sumatrensis através da avaliação de inibidores metabólicos e da análise do transcriptoma. Foram realizados seis estudos com inibidores metabólicos aplicados em diferentes condições, cinco estudos para caracterização da sintomatologia e amostragem, e análise da expressão gênica diferencial através de RNA-Seq. Os inibidores de transportadores ABC orthovanadato e verapamil reduziram o acúmulo de peróxido de hidrogênio e a intensidade dos sintomas visuais, e causaram atraso da ocorrência de necrose em plantas resistentes em comparação ao tratamento com o herbicida isolado. Os inibidores do fotossistema II atrazina e diuron aplicados em hidroponia e a restrição de luz indicaram que alterações na fotossíntese afetam o início e a intensidade da resposta de rápida necrose ao herbicida 2,4-D, mas não condicionam a ocorrência da resistência. A análise da expressão diferencial de transcritos revelou que o efeito inicial do herbicida 2,4-D é mais intenso na repressão da expressão gênica em plantas suscetíveis e na indução da expressão de genes ao longo do tempo nas resistentes. A sobreposição dos genes diferencialmente expressos proporcionou a identificação de 104 genes envolvidos apenas nas primeiras sinalizações da resposta de resistência aos 5 min, 20 genes envolvidos nas sinalizações aos 5 e 30 min, e dois genes associados a todas as etapas de sinalização da resistência avaliadas (5, 30 e 60 min). A sinalização inicial da resposta de rápida necrose envolve o aumento da expressão de genes associados à resposta de defesa da planta a estresses após o tratamento com 2,4-D. O gene PATATIN-LIKE PROTEIN 2 (PLP2), envolvido nas rotas de metabolismo de drogas e de glicerolipídeos foi identificado em todas as etapas de resposta da resistência avaliadas. A expressão de genes transportadores PLEIOTROPIC DRUG RESISTANCE PROTEIN 1 (PDR1) e ATP BINDING CASSETTE SUBFAMILY (ABCB4 e ABCB12) foi identificada na amostragem mais tardia, aos 60 min. A resposta de rápida necrose das plantas resistentes ao 2,4-D envolve diferentes processos que são desencadeados em sequência ao longo do tempo após o tratamento. Possivelmente, a resposta inicia com a percepção do 2,4-D como um elicitor patogênico que causa a rápida necrose do tecido e é seguida pela maior atividade de transportadores PDR1, ABCB4 e ABCB12 que proporciona a ocorrência do rebrote e retomada do crescimento das plantas.

The mechanism of resistance to 2,4-D related to the atypical symptom of rapid leaf necrosis in Sumatran fleabane (Conyza sumatrensis) is still unknown. The objectives of this study were to characterize the mechanism of 2,4-D resistance related to rapid necrosis in Sumatran fleabane through the evaluation of metabolic inhibitors and transcriptome analysis. Six studies were carried out with metabolic inhibitors applied in different conditions, five studies for symptom characterization and sampling, and analysis of differential gene expression through RNA-Seq. The ABC transporter inhibitors orthovanadate and verapamil reduced the accumulation of hydrogen peroxide and the intensity of visual symptoms and caused a delay in the occurrence of necrosis in resistant plants compared to the treatment with the herbicide isolated. The photosystem II inhibitors atrazine and diuron applied in hydroponic conditions and the light restriction indicated that alterations in photosynthesis affect the onset and intensity of the rapid necrosis response to the 2,4-D herbicide but did not condition the occurrence of resistance. The analysis of the differential expression of transcripts revealed that the initial effect of the 2,4-D herbicide is more intense in the repression of gene expression in susceptible plants, and in the induction of gene expression over time in resistant plants. The overlap of the differentially expressed genes indicated that 104 genes were involved only in the first signaling of the resistance response at 5 min, 20 genes were related to the signaling at 5 and 30 min, and two genes were associated with all evaluated samplings (5, 30 and 60 min). The initial signaling of the rapid necrosis response involves increased expression of genes associated with the plant's defense response to stress after treatment with 2,4-D. The PATATIN-LIKE PROTEIN 2 (PLP2) gene, related to drug and glycerolipid metabolism pathways, was identified in all resistance response phases evaluated. The expression of PLEIOTROPIC DRUG RESISTANCE PROTEIN 1 (PDR1) and ATP BINDING CASSETTE SUBFAMILY (ABCB4 e ABCB12) transporter genes was identified in the later sampling, at 60 min. Thus, the rapid necrosis response of 2,4-D- resistant plants involves different processes that are triggered in sequence over time after treatment. Possibly, the response begins with the perception of 2,4-D as a pathogenic elicitor that causes rapid tissue necrosis and is followed by the increased activity of PDR1, ABCB4, and ABCB12 transporters, which allows regrowth and resumption of plant growth.