Genomic and transcriptomic analysis applied to agribusiness : focus on biotic and abiotic stress

Abstract

O aumento nos danos causados pelos estreses bióticos e abióticos vem apresentando um profundo impacto na produtividade das culturas de interesse agronômico. Dentre os principais fatores bióticos que acometem o agronegócio, os insetos-praga constituem a principal classe de patógenos que causam grandes perdas em cultivares como soja, milho e algodão. Devido ao uso intensivo de inseticidas e consequente favorecimento da seleção de populações de insetos resistentes, o desenvolvimento de novas formas de controle sustentável de insetos-praga se faz cada vez mais necessária. Além dos fatores bióticos, estresses abióticos também influenciam negativamente a agricultura, reduzindo consideravelmente a produção. Prevê-se que a competição por recursos hídricos se intensificará ainda mais nas regiões agrícolas, constituindo- se em fator chave na bioeconomia mundial. Dessa forma, a Biotecnologia possui um papel fundamental no aprimoramento e desenvolvimento de novas tecnologias visando o melhoramento de plantas. Dentre as principais fontes de conhecimento da atualidade para tal fim destacam-se a Genômica e a Transcriptômica. Desta forma, a presente tese de Doutorado avaliou dados em bancos de genômica e transcriptômica disponíveis para desenvolver e melhorar estratégias para aumentar a tolerância/resistência das culturas tanto a estresses biótico (insetos-pragas) e abióticos (seca). No Capítulo 01 foram avaliados estado atual do conhecimento sobre a via de miRNA e siRNA em 168 espécies de insetos e a estrutura de domínios conhecidos abrangendo as principais proteínas do mecanismo. Este estudo é de grande relevância visto ao potencial de utilização do mecanismo de RNAi para o controle de insetos-praga. Os elementos analisados foram identificados em bancos de dados públicos de genomas e transcritomas de espécies da ordem Coleoptera, Diptera, Hemiptera, Hymenoptera e Lepidoptera. Dentre os domínios analisados, dsrm, PAZ, Plataforma, Ribonuclease III (RIIID) e Helicase foram os que forneceram mais informações sobre a variabilidade identificada. Também foi possível concluir que a estabilidade dos complexos de microprocessadores responsáveis pela produção de miRNA e siRNA em insetos é o ponto chave na eficiência da biogênese desses pequenos RNAs. No Capítulo 02 foi avaliada a importância do fitormônio etileno em resposta à seca. Para isso, foram identificados in silico 176 genes de soja descritos como participantes tanto na biossíntese quanto na transdução de sinal mediada por este fitormônio. A partir de genes expressos diferencialmente no banco de dados do transcriptoma, foi analisada a expressão relativa por qPCR de alguns genes selecionados em cultivares de soja tolerantes e suscetíveis à déficit hídrico. Nas mesmas amostras, altos níveis de produção de etileno foram detectados e foram diretamente correlacionados com os níveis de fração livre do seu precursor. Sendo assim, a análise in silico, combinada com a quantificação da produção de etileno (e seu precursor) e experimentos de RT-qPCR, permitiu uma melhor compreensão da importância do etileno em nível molecular nesta cultura, bem como de seu papel na resposta a estresses abióticos. Assim, como os dados demonstraram, a análise de dados de genômica e transcritômica pode contribuir significativamente para o desenvolvimento do agronegócio global, principalmente por fornecer conhecimento para a geração e otimização de ferramentas que visam o melhoramento sustentável das culturas de interesse agronômico, principalmente em resposta à estresses bióticos e abióticos.

The increasing damage caused by biotic and abiotic stresses has had a profound impact on crop yields worldwide. Among the main biotic factors affecting agribusiness, insect-pests constitute the main class of pathogens that cause large losses in cultivars such as soybean, maize and cotton. Due to the intensive use of insecticides and the consequent favoring of the selection of resistant insect populations, the development of new forms of sustainable pest control is becoming increasingly necessary. In addition to biotic factors, abiotic stresses also negatively influence agriculture, considerably reducing production. Competition for water resources is expected to intensify further in agricultural regions, becoming a key factor in the world bioeconomy. Thus, Biotechnology has a fundamental role in the improvement and development of new technologies aiming at plant breeding. Among the main sources of current knowledge for this purpose are Genomics and Transcriptomics. Thus, the present PhD thesis evaluated data in available genomic and transcriptomic databases to develop and improve strategies to increase crop tolerance/resistance to both biotic (insect pest) and abiotic (drought) stresses. In Chapter 01 it was evaluated the current state of knowledge about miRNA and siRNA pathway in 168 insect species and the structure of known domains covering the main proteins of the mechanism. This study is of great relevance given the potential use of the RNAi mechanism for insect-pest control. The analyzed elements were identified in public databases of genomes and transcriptomes from species belonging to Coleoptera, Diptera, Hemiptera, Hymenoptera and Lepidoptera insect orders. Among the domains analyzed, dsrm, PAZ, Platform, Ribonuclease III (RIIID) and Helicase provided the most information on the identified variability. It was also possible to conclude that the stability of microprocessor complexes responsible for miRNA and siRNA production in insects is the key point in the biogenesis efficiency of these small RNAs. In Chapter 02, the importance of ethylene phytohormone in response to drought was evaluated. For this, 176 soybean genes described as participating in both biosynthesis and signal transduction mediated by this phytohormone were identified in silico. From genes differentially expressed in the transcriptome database, the relative expression by qPCR of some selected genes in tolerant and susceptible to water deficit soybean cultivars was analyzed. In the same samples, high levels of ethylene production were detected and were directly correlated with the free fraction levels of its precursor. Thus, in silico analysis, combined with the quantification of ethylene production (and its precursor) and RT-qPCR experiments, allowed a better understanding of the importance of molecular ethylene in soybean, as well as its role in the response to abiotic stresses. Thus, as the data have shown, genomic and transcriptomic data analysis can contribute significantly to the development of global agribusiness, mainly by providing knowledge for the generation and optimization of tools aimed at the sustainable improvement of crops of agronomic interest, mainly in response to biotic and abiotic stresses.