Tolerância da soja a seca: respostas moleculares da superexpressão da chaperona BiP e da interação com fungo endofítico Pochonia chlamydosporia

Abstract

Tolerância da soja a seca: respostas moleculares da superexpressão da chaperona BiP e da interação com fungo endofítico Pochonia chlamydosporia. Orientador: Humberto Josué de Oliveira Ramos. Coorientadores: Elizabeth Pacheco Batista Fontes, Juliana Rocha Lopes Soares Ramos, Maria Goreti de Almeida Oliveira e Leandro Grassi de Freitas. Plantas, por estarem inseridas em um ambiente dinâmico e complexo, estão expostas a diversas mudanças das condições ambientais que podem limitar o seu crescimento e produtividade. Estresses abióticos como escassez hídrica e secas prolongadas são um desafio, uma vez que tendem a se tornar cada vez mais frequentes devido a eventos climáticos extremos. Como maior produtor e exportador mundial de soja, a agricultura brasileira tem um interesse especial nos mecanismos de tolerância cruzada a estresses bióticos e abióticos em soja. Por isso, diversos estudos buscam obter mecanismos de adaptação e resistência vegetal a estresses ambientais com o melhoramento da produtividade agrícola e o mínimo de impacto ao meio ambiente. Uma das linhas de pesquisa visa a manipulação da chaperona molecular BiP em plantas transgênicas, cuja resposta ao estresse osmótico e do retículo endoplasmatico podem favorecer a tolerância à seca em soja. Entretanto, são boladas as informações sobre os efeitos da superexpressão de BiP no atraso na ativação da morte celular provocada por reação de hipersensitividade em situações de estresse biótico provocado pela bactéria não compatível Pseudomonas syringae pv. tomato. Outra linha de pesquisa, o uso de produtos biológicos baseados em organismos simbiontes da rizosfera vegetal que colonizam como raízes vegetais, dentre os quais o fungo nematófago endofítico Pochonia chlamydosporia pode estimular a capacidade da raiz de soja em explorar o solo ao redor favorecendo-a em condições de restrição hídrica. Neste trabalho, foi caracterizado o perfil morfológico, fisiológico e metabólico de genótipos contrastantes de soja quanto à tolerância a seca em resposta a interações bióticas. Foram analisadas a expressão de genes responsivos por RT-PCR, além da regulação diferencial de proteinas e fosfoproteinas responsivas à interação planta-bactéria no genótipo transgênico superexpressando BiP (C9) e (WT), sendo identificado por LC/MS- 2DE. Foram também adotados por LC-MS a abundância de fito-hormônios e alguns metabólitos especializados alvos em resposta à interação de soja com P. syringae pv. tomato e soja com P. chlamydosporia para determinar mudanças metabólicas básicas genótipos relacionados com a resposta à seca e/ou a resposta de defesa vegetal sob interações biológicas.Por sua vez, parâmetros morfofisiológicos de folhas, caule e raiz de genótipos tolerante a seca Embrapa48 e sensível a seca BR16 foram coletados ao longo do experimento planta-fungo. Concluiu-se que a via de síntese de flavonóides e isoflavonóides é uma das principais vias responsivas às inoculações com bactérias e com fungo em plantas, sendo determinante para a presença e contenção do hospedeiro. A resposta hipersensitiva bacteriana provocou uma expressão de genes que modulam a morte celular, sobretudo no genótipo transgênico, uma redução negativa de proteinas da fotossintese e uma regulação positiva de proteinas do metabolismo antioxidativo e do metabolismo dos fenilpropanoides e flavonóides, especialmente O-metiltransferases. Por fim, a interação bacteriana regulou positivamente os níveis de flavonoides e fitoalexinas em genótipos infectados. A presença do fungo, por sua vez, produziu um atraso de um dia na queda do potencial hídrico em ambos os genótipos contrastantes quanto a seca. O aumento do turgor foliar e como mudanças nos níveis de fito- hormônios, poliaminas e compostos fenólicos indicam que uma associação da planta ao fungo nas condições de déficit hídrico é inerente a cada genótipo, sendo que nenhum genótipo é tolerante a seca está ligada às propriedades hidráulicas dos vasos condutores. A presença do fungo promove mudanças morfológicas no sistema radicular e no sistema de vasos condutores da parte aérea em Embrapa48 e, em menor extensão, em BR16. Esses resultados podem ajudar a elucidar os mecanismos predominantes na tolerância cruzada de estresses bioticos e abioticos concomitantes, e como as plantas como utilizam para promover uma maior adaptação ao ambiente. Palavras-chave: Glycine max. Pseudomonas syringae patovar chlamydosporia. Estresses ambientais. Metabolômica. Proteômica. tomato. Pochonia

Plants, being inserted in a dynamic and complex environment, are exposed to several changes in environmental conditions that can limit their growth and productivity. Abiotic stresses such as water scarcity and prolonged droughts are a challenge as they tend to become more and more frequent due to extreme weather events. As the world's largest producer and exporter of soybeans, Brazilian agriculture has a special interest in the mechanisms of cross-tolerance to biotic and abiotic stresses in soybeans. Therefore, several studies seek to obtain mechanisms for adaptation and plant resistance to environmental stresses with the improvement of agricultural productivity and minimal impact on the environment. One of the lines of research aims at manipulating the molecular chaperone BiP in transgenic plants, whose response to osmotic and endoplasmic reticulum stress can favor drought tolerance in soybean. However, information about the effects of BiP overexpression in the delay in the activation of cell death caused by hypersensitivity reaction in situations of biotic stress caused by the non-compatible bacteria Pseudomonas syringae pv. tomato. Another line of research, the use of biological products based on symbiotic organisms from the plant rhizosphere that colonize as plant roots, among which the endophytic nematophagus fungus Pochonia chlamydosporia can stimulate the capacity of the soybean root to explore the surrounding soil, favoring it in water restriction conditions. In this work, the morphological, physiological and metabolic profile of contrasting soybean genotypes regarding drought tolerance in response to biotic interactions was characterized. The expression of RT-PCR responsive genes was analyzed, as well as the differential regulation of proteins and phosphoproteins responsive to plant-bacteria interaction in the transgenic genotype overexpressing BiP (C9) and (WT), identified by LC/MS-2DE. The abundance of phytohormones and some specialized target metabolites in response to the interaction of soybean with P. syringae pv. tomato and soybean with P. chlamydosporia were also adopted by LC-MS to determine basic metabolic changes in genotypes related to droughtresponse and/or plant defense response under biological interactions. In turn, morphophysiological parameters of leaves, stem and root of drought-tolerant Embrapa48 and drought-sensitive BR16 genotypes were collected during the plant-fungus experiment. It was concluded that the flavonoid and isoflavonoid synthesis pathway is one of the main pathways responsive to inoculations with bacteria and fungus in plants, being crucial for the presence and containment of the host. The bacterial hypersensitive response caused an expression of genes that modulate cell death, especially in the transgenic genotype, a negative reduction of photosynthesis proteins and an upregulation of proteins from the antioxidant metabolism and the metabolism of phenylpropanoids and flavonoids, especially O-methyltransferases. Finally, bacterial interaction positively regulated the levels of flavonoids and phytoalexins in infected genotypes. The presence of the fungus, in turn, produced a one-day delay in the drop in water potential in both contrasting genotypes for drought. The increase in leaf turgor and changes in the levels of phytohormones, polyamines and phenolic compounds indicate that an association of the plant with the fungus under water deficit conditions is inherent to each genotype, and no genotype is drought tolerant is linked to the hydraulics properties of the conducting vessels. The presence of the fungus promotes morphological changes in the root system and in the aerial part vessel system in Embrapa48 and, to a lesser extent, in BR16. These results may help to elucidate the predominant mechanisms in the cross-tolerance of concomitant biotic and abiotic stresses, and how plants use them to promote greater adaptation to the environment. Keywords: Glycine max. Pseudomonas syringae pathovar tomato. Pochonia chlamydosporia. Environmental stresses. Metabolomics. Proteomics.