Regulation of coffee flowering time: hormonal crosstalk and transcriptomic analysis of reproductive development and anthesis | Regulação do florescimento de café: crosstalk hormonal e análise transcriptomica no desenvolvimento reprodutivo e antese

Flowering is one of the most important steps during the plant´s life cycle; a synchronized interaction of endogenous and environmental signals triggers this process at the right time. In coffee (Coffea arabica L.), coffee flower development is asynchronous resulting in an uneven fruit ripening. Understanding the mechanism by which coffee flowering is regulated may help to adopt some agronomical practices to synchronize coffee production and therefore, to give better final product quality. The objective of this research was to investigate the influence of plant hormones and gene regulation in the control of coffee flowering. In this sense, two experiments were developed. In the first experiment, we evaluated the content of ethylene, Abscisic Acid (ABA), 1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid oxidase (ACC), 1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid oxidase (ACO) activity, and Lysine Histidine Transporter 1 (LHT1) gene expression, as the ACC transporter, in a different key point of the coffee flower bud development in the Acauã (Late), Oeiras (Early) and Semperflorens (Continuous) coffee genotypes. Moreover, ACC exogenous application compared with 1-methilcyclopropene (1-MCP) and water treatments was supplied in coffee plants. ABA and ethylene content had an inverse profile in the rainy and dry period and, after rain before anthesis, the ACC content increased in all coffee tissues (Leaves, roots, and flower buds). A high relative LHT1 gene expression was observed at the same period for leaves and roots. At this point, increased content of ACC was determined as a modulator of coffee anthesis. In an additional experiment, this activity was corroborated when coffee plants with 300 mM of exogenous ACC supply showed a higher number of G6 flower bud stages. In the second experiment, a transcriptomic analysis (RNA-seq) from leaves, flower buds, and Shoot Apical Meristem (SAM) in the same coffee genotypes of the first experiment was carried out in March and August. In addition, phenotypic (Flower bud development and flowering events) and biochemical analysis (Sugar content) were carried out. Starch content was higher for Semperflorens than in Oeiras and Acauâ, and sucrose content increased from June to August before anthesis in Acauã. Ethylene decreased in leaves from the rainy to dry period. Semperflorens presented more flowering events than Acauã and Oeiras that flowered more than Acauã. A total of 12748 Differentially Expressed Genes (DEGs) were found contrasting different tissues and sampling conditions, associated with hormonal regulation, sugar metabolism, photosynthesis, circadian clock, temperature, endogenous and external stimulus, seed development, and flower development. 280 DEGs for sugar metabolism, 650 DEGs for ethylene biosynthesis and signaling, and 523 DEGs for floral organ identity and photoperiod were selected. Finally, 4 DEGs for sugar metabolism and 6 DEGs for photoperiod and flower development were identified to be congruent with the flowering pattern of coffee genotypes. 28 DEGs were identified for ethylene biosynthesis however, no correlation with ethylene evolution in coffee tissues associated with flowering was found.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

A floração é uma das etapas mais importantes do ciclo de vida das plantas, em que uma interação sincronizada de sinais endógenos e ambientais desencadeia esse processo no momento certo. No café (Coffea arabica L.), o desenvolvimento da flor é assíncrono, resultando em um amadurecimento desigual dos frutos. Compreender o mecanismo de regulação da floração do café pode contribuir para adotação de algumas práticas agronômicas para sincronizar a produção de café e consequentemente, diminuir os custos de produção e melhorar a qualidade final. O objetivo desta pesquisa foi investigar a influência dos hormônios vegetais e da regulação gênica no controle da floração do café. Nesse sentido, foram desenvolvidos dois experimentos. No primeiro experimento, foram avaliados o conteúdo de etileno, ácido abscísico (ABA), ácido carboxílico-1-aminociclopropano (ACC), a atividade do ácido 1-aminociclopropano-1-carboxílico oxidase (ACO), e a expressão do gene transportador de lisina histidina 1 (LHT1), como transportador de ACC, avaliadando-se em diferentes pontos-chave do desenvolvimento dos botões florais das cultivares Acauã (cultivar tardia), Oeiras (cultivar precoce) e Semperflorens (Cultivar Contínuo). Além disso, a aplicação de ACC exógeno em comparação com tratamentos de 1-metilciclopropeno (1-MCP) e de água foi testada em plantas de café. Os teores de ABA e etileno foram inversos no período chuvoso e seco e após a chuva, antes da antese, o teor de ACC aumentou em todos os tecidos do cafeeiro (folhas, raízes e botões florais). Uma alta expressão relativa do LHT1foi observada no mesmo período para folhas e raízes. Neste mesmo momento, o aumento do conteúdo de ACC foi determinado como um modulador da antese do café. Adicionalmente, essa atividade foi corroborada quando cafeeiros com 300 mM de ACC exógeno apresentaram maior número de botões florais no estado G6. No segundo experimento, foram realizadas análises transcriptômicas (RNA-seq) de folhas, botões florais e meristema apical (SAM) das mesmas cultivares utilizadas no primeiro experimento nos meses de março e agosto. Além disso, foram feitas análises fenotípicas (desenvolvimento do botão floral e eventos de floração) e bioquímicas (teor de açúcar). O teor de amido foi maior para Semperflorens do que para Oeiras e Acauã, o teor de sacarose aumentou de junho a agosto antes da antese em Acauã. O etileno diminuiu nas folhas do período chuvoso para o seco. A cultivar Semperflorens apresentou mais eventos de florescimento do que Acauã e Oeiras e, Oeiras, mais do que Acauã. Um total de 12748 Genes Diferencialmente Expressos (DEGs) foram encontrados contrastando diferentes tecidos e condições de amostragem, associados à regulação hormonal, metabolismo do açúcar, fotossíntese, relógio circadiano, temperatura, estímulo endógeno e externo, desenvolvimento de sementes e desenvolvimento de flores. Foram selecionados 280 DEGs para metabolismo do açúcar, 650 DEGs para biossíntese e sinalização de etileno e 523 DEGs para identidade de órgão floral e fotoperíodo. Finalmente, 4 DEGs para o metabolismo do açúcar e 6 DEGs para o fotoperíodo e desenvolvimento da flor foram identificados como sendo congruentes com o padrão de floração das cultivares de café. Ainda que, 28 DEGs foram identificados para a biossíntese de etileno.