Prospecção de genes responsivos a estresse hídrico em uma espécie neotropical : cajueiro (Anacardium occidentale)

Abstract

O estresse hídrico afeta as plantas em vários níveis de organização, do molecular ao morfológico e tem relevância na produtividade das culturas. Como resultado do aumento da seca em todo o mundo, a produtividade das culturas tem sido drasticamente afetada, levando a perdas significativas. Nas últimas décadas, as secas aumentaram em intensidade e frequência em muitas áreas ao redor do mundo. Para lidar com o estresse hídrico, as plantas desenvolveram diferentes estratégias para resistir ou tolerar baixos potenciais hídricos, que podem incluir ajustes moleculares, fisiológicos e morfológicos. No entanto, os mecanismos usados variam amplamente entre as espécies, genótipos, estágio de desenvolvimento da planta e em resposta ao progresso da seca através do tempo. Nos últimos anos, diversos estudos têm buscado elucidar como as plantas respondem molecularmente à seca. Embora esses estudos tenham se concentrado em plantas modelo, eles podem não refletir mecanismos de tolerância e resistência à seca em organismos diversos e de perfil arbóreo. Além disso, em plantas adaptadas ao semiárido, os mecanismos envolvidos em conferir tolerância à seca são pouco conhecidos. Por esta razão, uma melhor compreensão das consequências do déficit hídrico e estratégias adaptativas em espécies nativas e adaptadas à seca torna-se de grande importância para melhorar a produtividade agrícola no semiárido. O cajueiro (Anacardium occidentale) é uma espécie naturalmente adaptada a ambientes com baixa disponibilidade hídrica. Neste trabalho foi utilizada uma estratégia integrativa combinando análise fisiológica com RNA-seq de alto rendimento para entender as estratégias fisiológicas e moleculares adaptativas de Anacardium occidentale, variedade BRS226, em resposta ao estresse por déficit hídrico. As análises fisiológicas indicam que o cajueiro apresenta um comportamento isoídrico típico, com fechamento estomático precoce e gradual, decréscimos tardios na folha e na quantidade relativa de água e quase nenhum dano oxidativo celular. Também foi caracterizado o perfil transcricional de genes em resposta ao estresse hídrico moderado e severo e após a re-irrigação. Foram identificados 1733 genes diferencialmente expressos em amostras submetidas a estresse hídrico por 26 dias, dos quais 705 foram induzidos e 1028 foram reprimidos. Após a re-irrigação, 1330 (76,7%) genes retornaram à sua expressão basal. Entre os grupos de genes mais representativos estão genes relacionados à fotossíntese e cloroplasto, fatores de transcrição, transportadores, proteínas de choque térmico e genes envolvidos na eliminação de ROS. Outros genes relacionados às respostas ao estresse hídrico são aqueles envolvidos no metabolismo dos osmólitos e na sinalização de ABA como PP2C e SnRKs. Para confirmar os resultados do RNA-seq, foram escolhidos 13 genes para terem sua expressão diferencial validada por PCR quantitativo (qPCR). Para realização de estudos de genômica funcional em Arabidopsis thaliana, foram selecionados os genes DUF2 (domínio de função desconhecida) e POR-A (protoclorofilídeo oxidorredutase A), ambos genes validados por qPCR. Este foi o primeiro estudo a mostrar respostas moleculares de folhas de cajueiros submetidos ao estresse por déficit hídrico.

Water stress affects plants at various levels of organization, from molecular to morphological, and has relevance to crop productivity. As a result of increasing drought across the world, crop productivity has been drastically affected, leading to significant productivity losses. In recent decades, droughts have increased in intensity and frequency in many areas around the world. To deal with water stress, plants have developed different strategies to resist or tolerate low critical water potentials, which may include molecular, physiological and morphological adjustments. However, the mechanisms used vary widely between species, genotypes, stages of plant development, and in response to the progress of drought over time. In recent years, several studies have proposed to elucidate how plants molecularly respond to drought in a variety of species. Although these studies have focused especially on model plants, they may not reflect mechanisms of drought tolerance and resistance in non-model organisms. Furthermore, in plants adapted to the semiarid region, the mechanisms involved in providing drought tolerance are poorly understood. For this reason, a better understanding of the consequences of water deficit and adaptive strategies in native species adapted to drought becomes of great importance to improve agricultural productivity in the semiarid region. The cashew tree (Anacardium occidentale) is a species naturally adapted to environments with low water availability. In this work, we used an integrative strategy combining physiological analysis with high-throughput RNA-seq to understand the physiological and molecular adaptive strategies of Anacardium occidentale, variety BRS226, in response to water stress. Physiological analyzes indicate that cashew shows a typical isohydric behavior, with early and gradual stomatal closure, late decreases in the leaf and the relative amount of water, and almost no cellular oxidative damage. The transcriptional profile of genes in response to moderate and severe water stress and after re- irrigation was also characterized. We identified 1733 differentially expressed genes in samples submitted to water stress for 26 days, of which 705 were induced and 1028 were repressed. After re-irrigation, 1330 (76.7%) genes returned to their basal expression. Among the most representative gene groups are genes related to photosynthesis and chloroplast, transcription factors, transporters, heat shock proteins, and genes involved in ROS elimination. Other genes related to responses to water stress are those involved in osmolyte metabolism and ABA signaling such as PP2C and SnRKs. To confirm the RNA-seq results, 13 genes were chosen to have their differential expression validated by quantitative PCR (qPCR). To carry out functional genomics studies in Arabidopsis thaliana, the genes DUF2 (domain of unknown function) and POR-A (protochlorophyllide oxidoreductase A) were selected, both validated by qPCR This was the first study to show molecular responses of cashew tree leaves subjected to water stress.