Metabolism of nitrogen compounds and carbohydrates, and modification of cell wall of citrus infected by Xylella fastidiosa

Orientador: Paulo MazzaferaTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de BiologiaResumo: Xylella fastidiosa (Xf) é uma bactéria fitopatogênica que se desenvolve exclusivamente no xilema de uma grande variedade de plantas cultivadas. Na cultura do citros essa bactéria é conhecida como o agente causal da clorose variega do citros (CVC), doença responsável por prejuízos econômicos consideráveis, desde a década de 80. Embora muitos trabalhos tenham sido realizados com essa bactéria, pouco se conhece sobre o mecanismo de infecção, a composição do meio em que ela se desenvolve, o xilema e o desenvolvimento dos sintomas. Grande parte dos estudos sobre a nutrição da bactéria são realizados in vitro, o que pode não caracterizar a interação entre a bactéria e xilema. Este trabalho é resultado de um subprojeto do genoma funcional, cujo principal objetivo é a caracterização da constituição da seiva do xilema, na tentativa de melhor compreender a nutrição da bactéria e o desenvolvimento da doença. Ao longo da realização dos experimentos e análises dos resultados foram surgindo questões que levaram a necessidade do melhor entendimento do metabolismo do nitrogênio em plantas com CVC. Por isso os resultados gerados foram agrupados em dois capítulos, onde no primeiro são encontrados resultados da caracterização qualitativa e quantitativa das principais substâncias nitrogenadas presentes na seiva do xilema de plantas de citros com CVC, bem como atividade das principais enzimas envolvidas no metabolismo do nitrogênio. A atividade da Redutase do nitrato (RN) nas folhas não sofreu alteração em plantas doentes (PD), porém a atividade da Glutamina Sintetase (GS) foi significativamente maior nos extratos das folhas dessas plantas. Embora a concentração de aminoácidos tenha sido suavemente maior na seiva do xilema de PD, caiu drasticamente no extrato de folhas dessas plantas. O teor de proteínas solúveis também foi menor na seiva do xilema e no extrato de folhas de PD. PD e Planta Sadia (PS) apresentaram o mesmo perfil de aminoácidos em HPLC, contudo em proporções bem diferentes, principalmente dos aminoácidos ASN, GLN e ARG. A poliamina putrescina foi identificada em grande concentração somente em PD. Estes resultados demonstram que PD apresentam alterações no metabolismo de compostos nitrogenados provavelmente em resposta a mudanças na interação dos processos de absorção, assimilação e redistribuirão do nitrogênio. No segundo capítulo são agrupados os dados das análises do metabolismo de açúcares, ácidos orgânicos e investigação das alterações no metabolismo da parede celular. A seiva de PD apresenta menor concentração de glicose, acompanhada de frutose e glicose. Grande quantidade de ácido cítrico também foi determinada nessas plantas. Baseados nesses resultados cultivamos a bactéria em meios com diferentes fontes de carbono e verificamos que o meios que permitiram maior crescimento foram aqueles que a fonte de carbono utilizada foi glicose (I glL), sacarose combinada com citrato nas concentrações de 3g/L de cada fonte de cardono, e citrato na concentração de 3 g/L, o que demonstra que a composição química da seiva do xilema é importante tanto para o processo de agregação como para a formação do biofilme. A infecção com Xi também promoveu modificações nas paredes celulares dos pecíolos. Verificamos por imunocitoquímica em microscópio confocal utilizando os anticorpos 11M 5 e JIM 7, diferenças entre PD e PS nos padrões de esterificação da fração pectina, assim como encontramos no fracionamento da parede celular alterações na composição dos principais carboidratos que constituem a fração hemiceluloseAbstract: Xylellafastidiosa (Xj) is a fastidious bacterium which grows exclusively in the xylem of several plants. In citrus the disease caused by Xf is known as "clorose variegada do citros" (CVC), being responsible for marked loss of productivity since the 80s. Although a meaningful number of reports have been published in the literature about Xf, little is know about the mechanisms controlling infection, the biochemical composition of the xylem fluid where the bacteria develops and how the disease symptoms develop. Most of the studies on the nutritional requirements by the bacteria were carried out with artificial media in vitro, what may not be the exact situation in the xylem. The aim of this thesis was to characterize the xylem sap composition of citrus plants in order to better understand nutritional aspects of the bacteria and this can influence the disease development. During the experiments new questions arose and focus was given to the nitrogen metabolism of citrus plants infected with Cvc. Therefore, the thesis has two chapters. The first chapter contains results on the qualitative and quantitative characterization of the xylem sap of health and diseased plants as well as the activity of enzymes ofthe nitrogen metabolism in plants. The activity ofNitrate reductase (NR) in leaves did not change in diseased plant (PD), however, the activity of Glutamine synthethase (GS) was significantly higher in these leaves. Although amino acids concentration was slightly higher in the sap of diseased plants the leveI dropped drastically in the leaves. The protein contents were lower in the sap and in leaves of diseased plants. Diseased and health plants showed the same amino acid profile in HPLC, but different proportions were observed among amino acids, mainly for the amino acids ASN, GLN and ARG. The polyamine putrescine was found in high concentrations only in diseased plants. These results showed that significant changes take place in the nitrogen metabolism of diseased plants, probably as a response to the alterations in the absorption, assimilation and distribution of nitrogen in the plant. In the second chapter the data on carbohydrates, organic acids and cell wall are presented. The xylem sap of diseased plants showed lower concentration of glucose than health plants. High amounts of citric acid were also found in diseased plants. This information was used to design artificial media to grow the bacteria and study its nutritional need. Best growth was observed with media containing glucose (l g/L), sucrose plus citrate both at 3g/L, and citrate alone at 3 g/L, indicating that the composition of the sap might play a role both in the bacterial agregation as well as in the biofilm formation. Infection with XI also promoted changes in the cell wall of leaf peduncle of infected plants. Immunocytochemical analysis with confocal microscopy, using the antibodies 11M 5 and 11M 7, showed marked differences between diseased and health plants regarding the pectin esterification. Additionally the hemicelullose fraction was also affected.DoutoradoBiologia VegetalDoutor em Biologia Vegeta