Estratégias de prospecção gênica e transformação em plantas para tolerância à hipóxia | Strategies for gene prospecting and transformation in plants to hypoxia tolerance

A disponibilidade de gás oxigênio (O2) é uma das principais forças que moldam a evolução dos organismos vivos e é essencial para a sobrevivência das plantas. A deficiência parcial (hipóxia) ou total (anóxia) de gás oxigênio é componente importante do estresse de alagamento. Para o aprofundamento do conhecimento genético, a transcriptômica possibilita identificar genes envolvidos nos mecanismos de respostas, e a transformação desses genes em plantas permite avaliar seus efeitos. Com o objetivo de caracterizar genes responsivos à deficiência de oxigênio e identificar genes candidatos para tolerância ao alagamento, analisamos dados de RNA-seq de raízes das cultivares de soja Embrapa 45 (tolerante ao encharcamento do solo) e BR 4 (sensível ao encharcamento) sob hipóxia. Das diferenças entre as duas cultivares, Embrapa 45 apresentou menor número de genes up-, maior quantidade de genes down- regulados, e maior expressão dos genes que codificam phosphoglucomutase (Glyma05g34790), unknown protein related to N-terminal protein myristoylation (Glyma06g03430), protein suppressor of phyA-105 (Glyma06g37080) e fibrillin (Glyma10g32620). Dados de RNA-seq e qRT-PCR da hemoglobina não simbionte Glyma11g12980 indicaram divergência estrutural desse gene entre as cultivares. Em comum entre as duas cultivares, mudanças na abundância de transcritos envolvidos no metabolismo de aminoácidos e derivados sugerem perturbação destes em modificações do tRNA, acurácia/eficiência traducional e estresse do retículo endoplasmático (RE) sob hipóxia. Também observamos que grupos de genes (estáveis, up- e down-regulados) diferem quanto à frequência de elementos cis TATA box, ABREs (ABA-responsive elements) e CRT/DREs (C-repeat/dehydration-responsive elements), assim como em estrutura, composição e uso de códons sinônimos. Especulamos que cis elementos ABRE podem mediar expressão gênica independentemente de ABA em raízes de soja sob hipóxia. Por fim, a nosso conhecimento, somos os primeiros a demonstrar viabilidade de se transformar Setaria viridis (espécie modelo de monocotiledôneas C4) mediada por Agrobacterium por meio da técnica floral dip, que não demanda cultura de tecidos nem regeneração de plantas transgênicas. Assim como em arabidopsis, espécie modelo de dicotiledôneas C3, floral dip em S. viridis pode acelerar estudos genéticos e de genômica funcional (inclusive ao estresse de alagamento) de gramíneas importantes para alimentação humana e animal, fibras e biocombustíveis, tais como cana-de-açúcar, Miscanthus, capim- elefante, Brachiaria, sorgo e milho.

Oxygen gas (O2) availability is one of primary forces shaping the evolution of living organisms and essential for land plants survival. Partial (hypoxic) or total (anoxic) oxygen gas deficiency is important component of flooding stress. For deepening the genetic knowledge, transcriptomics identify genes involved in stress response mechanisms, and transformation of these genes in plants allows to evaluate its effects. In order to characterize genes responsive to oxygen deficiency and identify candidate flooding tolerance genes we analyzed root RNA-seq data from flood-tolerant Embrapa 45 and flood-sensitive BR 4 soybean cultivars under hypoxic stress. From differences between the two cultivars, Embrapa 45 showed less up- and more down-regulated genes, and stronger induction of phosphoglucomutase (Glyma05g34790), unknown protein related to protein N-terminal myristoylation (Glyma06g03430), protein suppressor of Phya- 105 (Glyma06g37080), and fibrillin (Glyma10g32620). RNA-seq and qRT-PCR data of non-symbiotic hemoglobin Glyma11g12980 indicated structural divergence of this gene between cultivars. In common between the two cultivars, transcriptional changes in amino acids and derivative metabolic process suggest its disturbance in tRNA modifications, translation accuracy/efficiency, and endoplasmic reticulum (ER) stress under hypoxia. In addition, genes groups (stable, up-, and down-regulated genes) differed in promoter TATA box, ABREs (ABA-responsive elements), and CRT/DREs (C-repeat/dehydration-responsive elements) frequency, as well as in structure, composition, and codon usage. We speculate that cis-acting ABREs can mediate gene expression independent of ABA in hypoxic soybean roots. Finally, to our knowledge, we first report Agrobacterium-mediated transformation method in Setaria viridis (C4 monocotyledonous model species) using floral dip, which does not require tissue culture nor transgenic plant regeneration. As in arabidopsis, C3 dicotyledonous model species, floral dip in S. viridis may accelerate genetic studies and functional genomics (including flooding stress) of important food–feed–fiber–fuel grass crops such as sugarcane, Miscanthus, elephant grass, Brachiaria, Sorghum and maize.

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais