Functional evaluation of sugarcane genes differentially expressed under drought in transgenic plants of Arabidopsis thaliana

Orientador: Marcelo Menossi TeixeiraTese (doutorado) ¿ Universidade Estadual de Campinas, Instituto de BiologiaResumo: Dentre os países produtores da cana-de-açúcar, o Brasil é o maior produtor mundial e pioneiro no uso de energia renovável pelo programa bioetanol. A seca é o estresse abiótico que mais afeta o desenvolvimento das plantas e causa prejuízos na agricultura. Por esse motivo é crescente o interesse em desenvolver novas variedades de cana-de-açúcar mais tolerantes a esse estresse para maior expansão da cultura. A superexpressão gênica em planta modelo é uma das ferramentas para identificar genes envolvidos nas respostas ao estresse hídrico, sendo que essa tecnologia pode auxiliar na produção de cultivares de cana-de-açúcar melhor adaptados a ambientes desfavoráveis. Assim, o principal objetivo desse trabalho foi identificar genes de cana-de-açúcar que podem proteger a planta da seca. Ao todo, 18 genes de cana-de-açúcar foram transformados em Arabidopsis thaliana e a expressão de 15 genes foi confirmada em três eventos independentes de plantas transgênicas. As plantas de Arabidopsis superexpressando os genes de cana foram submetidas ao estresse hídrico severo, por suspensão de rega, e ao estresse hídrico moderado, em que as plantas foram submetidas a uma irrigação limitada. Plantas superexpressando quatro dos genes avaliados foram capazes de se recuperar após o tratamento por suspensão de rega. O estresse osmótico induzido por sorbitol realizado in vitro sugeriu também o envolvimento de um desses genes na tolerância ao estresse osmótico severo. Destas, plantas superexpressando três genes também apresentaram melhor crescimento sob solo com quantidade de água limitada, quando comparadas com as plantas utilizadas como controle. Entretanto, para um dos três genes, apenas uma das linhagens de superexpressão foi bem sucedida ao estresse moderado. Neste trabalho plantas de Arabidopsis transgênicas permitiram a avaliação de genes de cana-de-açúcar envolvidos no estresse por seca. Além disso, mostramos que genes envolvidos na tolerância à seca por suspensão de rega também podem proteger a planta em condições moderadas de estresse, sendo esta uma importante estratégia que ajuda prever o comportamento das plantas no campoAbstract: Among sugarcane producing countries, Brazil is the world's largest producer and pioneer in renewable energy due to a consolidated bioethanol program. Drought is a major abiotic stress that affects plant development and causes damage in agriculture. For this reason, the interest in developing new sugarcane varieties more tolerant to drought is growing to expand the culture. Gene over-expression in a model plant is one of the tools to identify genes involved in water stress responses, and this technology can help the production of sugarcane cultivars better adapted to unfavorable environments. Thus, the main goal of this work was to identify sugarcane genes that can protect plants from drought stress. In total, 18 sugarcane genes were transformed into Arabidopsis thaliana and the expression of 15 genes was confirmed in three independent transgenic events. Arabidopsis over-expressing the sugarcane genes were exposed to severe stress by water withholding, and to moderate stress, in which plants were subjected to limited irrigation. Plants over-expressing four genes were able to survive after the water deprivation treatment. Data from in vitro stress assays using sorbitol also suggested the involvement of one of these genes in severe osmotic stress tolerance. Plants over-expressing three genes also grew better under a limit amount of water when compared with plants used as control. However, for one of the three genes, only one over-expression line was successful under moderate stress. In this work, Arabidopsis transgenic plants allowed the evaluation of sugarcane genes involved in drought stress. In addition, we have shown that genes involved in drought tolerance by water deprivation can also protect plants under moderate stress conditions, an important strategy that may help to predict the behavior of plants in the fieldDoutoradoGenetica Vegetal e MelhoramentoDoutora em Genética e Biologia Molecular148018/2012;99999.005006/2014-07CNPQCAPE