Expressão de uma quitinase de Metarhizium anisopliae em Nicotiana tabacum : obtenção de plantas transgênicas resistentes a doenças fúngicas

Abstract

A resistência a doenças em plantas transgênicas tem sido obtida por meio da expressão de genes isolados de bactérias, fungos micoparasitas e plantas. Neste trabalho, relatamos a utilização de um gene do fungo entomopatogênico Metarhizium anisopliae como modo de gerar resistência a doenças fúngicas em plantas. O gene chit1 codifica a quitinase CHIT42 (EC 3.2.1.14), pertencente a uma classe de glicosil-hidrolases capazes de converter quitina em oligômeros de N-acetil-glicosamina (NAcGlc). Quando presentes em tecidos vegetais, supõese que as quitinases ataquem especificamente a parede celular de fungos invasores, provocando danos às hifas e causando a morte por lise das células fúngicas. Deste modo, dois diferentes grupos de plantas transgênicas de Nicotiana tabacum foram produzidos: no primeiro deles, denominado chitplus, os indivíduos possuem o gene chit1 sob o controle do promotor CaMV 35S. O segundo grupo, demoninado chitless, consiste de plantas transformadas com um T-DNA não contendo o gene do fungo. Trinta e quatro plantas transgênicas resistentes à canamicina (17 de cada grupo) foram regeneradas a partir de discos de folhas infectados por Agrobacterium tumefaciens. A produção da quitinase em extratos protéicos de folhas foi analisada por zimogramas em SDS-PAGE contendo glicol-quitina e corados por calcoflúor branco, na forma de um screening dos transgênicos primários. As plantas transgênicas foram testadas, ainda, por meio de ensaios colorimétricos empregando oligômeros sintéticos de NAcGlc como substratos específicos, além de immunoblot e Western blot com soro anti-quitinase. A quantidade de enzima recombinante nas plantas chitplus variou desde nenhuma atividade detectável a elevados níveis de expressão da enzima. A hibridização de Southern blot demonstrou que o número de cópias do gene chit1 integradas no genoma vegetal foi estimado entre uma e quatro. A primeira geração de plantas transgênicas geradas por autofecundação de parentais portadores de duas cópias do transgene foi testada com relação à estabilidade da herança do transgene e em 43 de um total de 67 descendentes, originados de quatro cruzamentos independentes, o padrão de segregação não diferiu das proporções Mendelianas esperadas. Ensaios de resistência, desafiando as plantas transgênicas com o basidiomiceto Rhizoctonia solani foram realizados e uma evidente diminuição da área foliar contendo lesões fúngicas foi observada entre as linhagens transgênicas, embora variações na atividade quitinolítica tenham influenciado o nível de resistência. Nossos resultados sugerem uma relação direta entre a atividade específica de quitinase e ao aumento nos níveis de resistência às lesões causadas pela infecção por R. solani.

Plant resistance in transgenic plants has been obtained by expressing genes isolated from bacteria, mycoparasitic fungi and plants. Here we report the employment of a gene from the entomopathogenic fungus Metarhizium anisopliae as a tool to generate resistance to fungal diseases in plants. The chit1 gene encodes the chitinase CHIT42 (EC 3.2.1.14), belonging to a class of glicosyl-hydrolases able to convert chitin into N-acetyl-glucosamine (GlcNAc) oligomers. When present in plant tissues, chitinases are supposed to disrupt the invading fungal cell wall specifically, causing hyphae damage and leading to cell lysis. Hence two different groups of transgenic Nicotiana tabacum plants were produced. The first group was named chitplus, in which individuals harbour the chit1 gene under the control of the CaMV 35S promoter . The second group, named chitless, carried a T-DNA not containing the fungal gene. Thirty-four kanamicin resistant plants (17 of each group) were regenerated from leaf discs infected with Agrobacterium tumefaciens. Chitinase production in leaf protein extracts was analysed through zymograms in SDS-PAGE containing glycol-chitin and stained by calcofluor white, as a screening of primary transformants. Transgenic plants were also evaluated by colorimetric assays using synthetic GlcNAc oligomers as specific substrates besides immunoblot and Western blot probed with rabbit anti-chitinase sera. The amount of recombinant enzyme in chitplus plants ranged from no detectable chitinase activity to high levels of enzyme expression. Southern blot hybridisation revealed that chit1 copy number inserted into plant genomes varied from one to four. The first self pollinated generation of transgenic lines bearing two copies of the transgene was tested on inheritance stability and in 43 out of 67 descendants, derived from four independent crosses, the segregation pattern was discovered not to differ from the predicted Mendelian ratios. Resistance assays challenging transgenic plants with the basidiomycete Rhizoctonia solani were performed and a clear decrease in the foliar area containing fungal lesions was observed amongst transgenic lines, though variations in chitinase activity also reflected on the resistance level. Our results suggest a direct relationship between chitinase specific activity and the improvement in the resistance to lesions caused by infection.