Epigenetic, transcriptional and physiological memory in rice plants submitted to saline stress

Rice is cultivated in several environments, however, abiotic stresses, such as salinity, critically threaten its production, causing significant yield losses. In addition, the environment around the plant is constantly changing, not only throughout the seasons and years, as we currently observe the effects of global warming, but also every day. Most abiotic stress is transient and often recurrent. One possible response of plants to a first stress event is that they become more resistant to future exposures through memory acquisition. Generally, this memory process is evidenced by an increased response pattern, a more efficient response or a faster response. Some molecular mechanisms that support the plants memory have already been elucidated. The first is the accumulation of signaling metabolites or transcription factors, known as physiological / molecular memory, and the second mechanism refers to epigenetic memory. In addition to these two mechanisms, dramatic changes in gene expression patterns may occur, illustrating the concept of 'transcriptional memory' and revealing the existence of 'memory genes'. Studies relating the memory process and saline stress are rare, especially in rice plants. Thus, the present study focused on the discovery of physiological, biochemical, molecular and epigenetic mechanisms associated with long-term somatic memory in rice plants submitted to different salt stress conditions. Additionally a study was conducted to characterize modules of co-expressed genes in response to salinity. In the first study, it was demonstrated that rice plants submitted to a recurrent stress presented distinct patterns of expression of plants that submitted to only one event, evidencing a transcriptional memory. In the second study differences in the memory process were observed in contrasting genotypes, and it was possible to observe which physiological, biochemical and epigenetic variables contributed to this distinction. The third and last study demonstrated, through of a co-expression network, the main modules of coexpressed genes that are altered in rice plants submitted to saline stress, and characterized them functionally. The results of the three studies allowed new insights into memory mechanisms in rice plants, as well as a better understanding of the processes involved in the tolerance to salinity stress.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPESO arroz é cultivado em diversos ambientes, entretanto, estresses abióticos, que inclui a salinidade, ameaçam criticamente sua produção, causando perdas significativas de rendimento. Além disso, o ambiente em torno da planta está em constante mudança, não apenas ao longo das estações e anos, como pode-se observar atualmente com os efeitos do aquecimento global, mas também diariamente. A maior parte do estresse abiótico é transitório e muitas vezes também recorrente. Uma possível resposta das plantas a um primeiro evento de estresse é que elas se tornam mais resistentes a futuras exposições por meio da aquisição de memória. Geralmente, este processo de memória é evidenciado por um padrão de resposta aumentado, uma resposta mais eficiente ou uma resposta mais rápida. Alguns mecanismos moleculares que sustentam a memória das plantas já foram elucidados. O primeiro ocorre pelo acúmulo de metabólitos de sinalização ou fatores de transcrição, conhecido como memória fisiológica/molecular, e o segundo mecanismo se refere à memória epigenética. Além desses dois mecanismos, mudanças dramáticas nos padrões de expressão gênica podem ocorrer, ilustrando o conceito de 'memória transcricional' e revelando a existência de “genes de memória”. Estudos relacionando o processo de memória e estresse salino são raros, principalmente em plantas de arroz. Diante disso, o presente estudo centrou-se em desvendar mecanismos fisiológicos, bioquímicos, moleculares e epigenéticos associados à memória somática de longo prazo em plantas de arroz submetidas a diferentes condições de estresse salino. Adicionalmente foi conduzido um estudo para caracterizar módulos de genes coexpressos em resposta à salinidade. No primeiro estudo, foi demonstrado que plantas de arroz submetidas a um estresse recorrente apresentam padrões de expressão distintos de plantas que passaram por apenas um evento, evidenciando uma memória transcricional. Além disso, foi possível caracterizar quais genes estão associados ao processo de memória, e categorizá-los de acordo com seus padrões de expressão. No segundo estudo foi observado diferenças no processo de memória em genótipos contrastantes, sendo possível observar quais variáveis fisiológicas, bioquímicas e epigenéticas contribuíram para essa distinção. O terceiro e último estudo demonstrou, através de uma rede de co-expressão, os principais módulos de genes co-expressos que são alterados em plantas de arroz submetidas ao estresse salino, além de caracterizálos funcionalmente. Os resultados dos três estudos permitiram novos insights sobre os mecanismos de memória em plantas de arroz, além de uma melhor compreensão dos processos envolvidos na tolerância à salinidade