Quinta, 30 de junho de 2022.
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Tese
Título Identificação de hemoglobinas de soja e caracterização de membros relacionados a estresses hídricos: do gene à função
Autor Alessandra , Koltun
Unidade Pós-Graduação em Genética e Melhoramento
Área de Concentração Genética e Melhoramento
Orientador Leandro Simões Azeredo Gonçalves
Co-Orientador(es) Liliane Marcia Mertz-Henning.
Banca Examinadora Liliane Marcia Mertz Henning,
Larissa Alexandra Cardoso Moraes
Nathalia Volpi e Silva
Data de Defesa 29/06/2021
Resumo O estresse hídrico prejudica drasticamente a produtividade das lavouras, incluindo a soja – uma das culturas oleaginosas e proteicas mais relevantes do mundo, usada na alimentação animal e humana, além de apresentar fins industriais e farmacêuticos – impactando negativamente na segurança alimentar da população global. Hemoglobinas (GLBs) participam de respostas de tolerância a estresses abióticos nas plantas; entretanto, o papel que desempenham na soja sob estresse hídrico permanece pouco explorado. Neste estudo, análises in silico e in vivo foram realizadas para identificar GLBs de soja e verificar seu perfil transcricional, além de investigar a função de membros promissores na tolerância ao estresse hídrico. Sete genes de GLBs foram encontrados; dois GLB1 e cinco GLB2 ou leghemoglobinas. Desses, três foram diferencialmente expressos em bibliotecas de RNA-seq de soja sob alagamento e/ou seca e foram avaliados por PCR em tempo real. Dentre os três genes, GmGLB1-2 foi altamente expresso sob alagamento e a expressão de GmGLB1-1 foi ativada em ambos os estresses, embora em níveis mais baixos e com indução não confirmada em RT-qPCR para seca. Portanto, esses dois genes foram selecionados para caracterização funcional em nível fisiológico, molecular e bioquímico em soja, transformada por Agrobacterium rhizogenes, em condições de alagamento. Em geral, plantas com raízes superexpressando GmGLB1-1 ou GmGLB1-2 mostraram maior abundância de transcritos de genes responsivos ao estresse, relacionados ao metabolismo anaeróbico, de nitrogênio, carbono e antioxidante. Análises bioquímicas indicaram que plantas contendo p35S:GmGLB1-2 em suas raízes apresentaram menor teor de peróxido de hidrogênio, uma espécie reativa de oxigênio (ROS), sob alagamento. Em conjunto, esses resultados sugerem que GmGLB1-2 é um forte candidato para a engenharia genética da soja com o objetivo de gerar cultivares de soja mais tolerantes ao alagamento. Finalmente, a expressão transiente mediada por A. rhizogenes provou ser uma metodologia eficiente e econômica para avaliar a função de genes relacionados ao estresse hídrico.
Palavras-chave hipoxia, óxido nítrico, déficit hídrico.
Title
Abstract Water stress drastically hinders crop growth and yield, including soybean – one of the world’s most relevant protein and oil crops used to feed animals and humans, besides presenting industrial and pharmaceutical purposes – detrimentally impacting the food security of an ever-growing global population. Hemoglobins (GLBs) participate in tolerance responses to abiotic stresses in plants; however, the role they effectively play in soybean under water stress remains underexplored. In this study, in silico and in vivo analyses were performed to identify soybean GLBs, capture their transcriptional profile and function of promising members that could help soybean cope with water stress. Seven GLB genes were found in this crop, two were classified as GLB1 and 5 as GLB2 or leghemoglobins. Three out of the seven GLBs identified were differentially expressed in soybean RNA-seq libraries of waterlogging and/or drought and were evaluated by real-time PCR. Among the three genes, GmGLB1-2 was highly expressed under waterlogging and GmGLB1-1 expression was activated under both stresses, even though it presented lower levels of induction and its up-regulation was not confirmed in RT-qPCR for drought. Hence, these two genes were selected for functional characterization at the physiological, molecular, and biochemical levels in Agrobacterium rhizogenes-transformed soybean under waterlogging. In general, composite plants with roots overexpressing GmGLB1-1 or GmGLB1-2 showed higher transcript abundance of stress-defensive genes involved in anaerobic, nitrogen, carbon, and antioxidant metabolism. Biochemical analyses indicated that soybean bearing p35S:GmGLB1-2 had lower hydrogen peroxide root content, a reactive oxygen species (ROS), under waterlogging. Altogether these results suggest that GmGLB1-2 is a strong candidate for soybean genetic engineering aiming at generating waterlogging-tolerant soybean cultivars. Finally, transient expression mediated by A. rhizogenes proved to be an efficient, time- and money-saving methodology to interrogate water-stress-related gene function in such a difficult crop to transform.
Key-words hypoxia, nitric oxide, water deficit
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