Aspectos moleculares e bioquímicos associados à resistência parcial à ferrugem da folha em Avena sativa L.

Abstract

Ferrugem da folha, causada por Puccinia coronata f. sp. avenae, é a principal doença da aveia (Avena sativa L.). Tradicionalmente, a resistência utilizada nos programas de melhoramento é a completa, controlada por um ou poucos genes, sendo superada rapidamente pelo patógeno. Há várias décadas, tem sido sugerido que a resistência parcial pode ser mais durável. A cultivar URS 21 apresenta resistência parcial à ferrugem da folha e tem permanecido resistente desde seu lançamento, no ano 2000. Este estudo visou identificar aspectos bioquímicos e moleculares envolvidos na resistência parcial de URS 21 à ferrugem da folha. Foram utilizados dois genótipos suscetíveis e um completamente resistente como controles. Em plântulas e plantas inoculadas com o patógeno, foi verificado em URS 21 um aumento na síntese de compostos fenólicos máximo em 24 horas após a inoculação (hai), enquanto que URS 22 (suscetível) teve aumento tardio, 120 hai, provavelmente relacionado com a colonização do fungo. Em URS 21, foi verificado aumento da expressão de genes envolvidos na produção de avenantramidas, elevada concentração de compostos fenólicos totais, expressão de peroxidase, acúmulo de peróxido na epiderme, 24 hai, sugerindo síntese de compostos fenólicos estruturais. O decréscimo na produção de peróxido, em URS 21, a partir de 24 hai, também pode dever-se a produção de fenólicos estruturais. Além disso, em 24 hai, a atividade de ascorbato peroxidase, catalase e glutationa peroxidase, em URS 21, foram inferiores aos demais tempos, sugerindo que o peróxido foi consumido por peroxidases na síntese de fenólicos estruturais. Em plantas adultas de URS 21, inoculadas com o fungo, houve incremento na concentração de saponinas esteroidais, até 72 hai, enquanto que URS 22 em 48 hai, apresentou 15% da concentração máxima encontrada em URS 21, evidenciando a importância deste composto na resistência parcial à ferrugem da folha em URS 21. Além disso, a análise da expressão gênica e transcriptômica indicou a síntese de saponinas esteroidais do tipo avenacosides em URS 21. Das sequências geradas pelo RNA-sequenciamento, com função conhecida, muitas estão envolvidas no metabolismo secundário, estresse oxidativo, regulação transcricional, transporte, morte celular e defesa. Conclui-se que compostos fenólicos e saponinas são os principais componentes do mecanismo de defesa à resistência parcial à ferrugem da folha de URS 21.

Crown rust caused by Puccinia coronata f. sp. avenae is the main disease of oats (Avena sativa L.) in the world. Traditionally, the resistance exploited by oat breeders completely prevents reproduction of the fungus on the host and it segregates as a single or a few genes, thus, it is rapidly overcome by the pathogen. For several decades, it has been suggested that the partial resistance can be more durable. The Brazilian oat cultivar URS 21 is partially resistant and has remained resistant to crown rust since its release 2000. This study aimed to identify the biochemical and molecular mechanisms involved in the partial resistance of URS 21 to crown rust. Two susceptible and one completely resistant cultivar were used as control. URS 21 adult plants and seedlings inoculated with the pathogen showed increasing of total phenolics, with maximum value at 24 hours after inoculation (hai), however in URS 22 (susceptible) there was a later increase, at 120 hai, probably related to the fungus colonization. In URS 21, genes involved in production of avenantramids were up regulated after 24 hai. The increase in the concentration of phenolic compounds, peroxidase expression and accumulation of peroxide in the epidermis, was due to the action of peroxidases at 24 hai and indicated that structural synthesis of phenolic compounds was involved in partial resistance in URS 21. The decrease in peroxide production in URS 21, at 24 hai, may be related to the assembly of structural phenolics. Furthermore, the reduction in the activity of ascorbate peroxidase, catalase and glutathione peroxidase in URS 21, at 24 hai, indicated that peroxide has been consumed by peroxidase and structural phenolics synthesis. After 48 hai, in resistant genotypes, fluorescent cells, indicative of cell death, were visualized. In inoculated URS 21 adult plants, an increase in the concentration of steroidal saponins was observed at 72 hai, while in URS 22 an increase was observed in this compound at 48 hai, about 15% of the maximum concentration found in URS 21, demonstrating the importance of this compound in partial resistance to crown rust in URS 21. Furthermore, gene expression and transcriptomics indicated the synthesis of avenacosides, a type of steroidal saponina, in URS 21. Several sequences generated by RNA sequencing were involved in secondary metabolism, oxidative stress, transcriptional regulation, transport, cell death and defense. The data suggest that phenolic compounds and saponins are the main defense mechanisms of partial resistance to crown rust in URS 21.