Genetic-genomic studies in tropical forage grasses of the genus Urochloa and Paspalum

Orientadores: Anete Pereira de Souza, Bianca Baccili Zanotto VignaTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de BiologiaResumo: A pecuária bovina brasileira é baseada, predominantemente, na utilização de pastagens para a alimentação animal. Estas cobrem extensas áreas, o que viabiliza o maior rebanho comercial do mundo e a posição de maior exportador de carne bovina. U. humidicola está entre as forrageiras exóticas mais cultivadas nas pastagens brasileiras; ocorre em locais úmidos, de drenagem deficiente ou com inundação sazonal, razão pela qual ocupa extensas áreas no cerrado e na região amazônica. Espécies nativas do gênero Paspalum, apresentam potencial forrageiro e ornamental, e destacam-se pela grande variabilidade intra-específica a ser explorada. O lançamento de novas cultivares é uma alternativa para a diversificação das pastagens, e é a principal forma de atenuar problemas provenientes do monocultivo. Contudo, essas gramíneas têm seu perfil genético-molecular-genômico pouco estudado. E conhecer a extensão da variabilidade genética contida dentro dos bancos de germoplasma auxilia no planejamento de estratégias para maximizar os ganhos genéticos em programas de melhoramento. Nesse contexto, esta tese teve como objetivo contribuir para o conhecimento sobre a genética e genômica de espécies desses dois importantes gêneros de forrageiras tropicais. A partir do método RNA-seq e, montagem de novo, foi obtido o perfil transcriptômico global de folha de U. humidicola e folha e flor de P. notatum. Para U. humidicola foram obtidos 35.093 unigenes, representando o primeiro transcriptoma para a espécie. Esses foram anotados e relacionados à vias de fixação de carbono C4, síntese de lignocelulose e à resposta ao stress por alagamento. A busca por potenciais marcadores revelou 4.489 microssatélites (SSR) e 560.298 single nucleotide polymorphisms (SNP). Foram identificados genes únicos e diferencialmente expressos, corroborados por qPCR, entre os dois genótipos do banco de germoplasma da Embrapa utilizados para análise, o acesso apomítico BH16 "cultivar BRS Tupi (CIAT 26149) e o único genótipo sexual da espécie, o acesso BH031 (CIAT 26146). Sugere-se, ainda, uma provável origem híbrida para o BH031. Para P. notatum, foi gerado um transcriptoma altamente representativo, a partir de dois tecidos (folha e flor) de seis genótipos com réplicas biológicas, que apresentam diferentes ploidias e modo de reprodução (sexual ou apomítico), resultando em mais de 100.000 unigenes montados com métricas robustas. Através de abordagens de expressão diferencial de genes entre sexuais e apomíticos, enriquecimento dos termos GO (Gene Ontology) e rede de coexpressão gênica, foram identificados genes candidatos a apomixia. Esses podem ser melhor investigados, visando elucidar esse intrigante mecanismo de reprodução, como também, desenvolver marcadores ligados a apomixia. Adicionalmente, no estudo de Paspalum, foram desenvolvidos marcadores SSR genômicos inéditos para P. plicatulum, e transferidos para outras espécies que compõem grupo botânico Plicatula, constituindo uma ferramenta valiosa para o estudo da variabilidade genética de acessos de banco de germoplasma das espécies estudadas. Ainda, buscando aprofundar o conhecimento sobre o complexo grupo Plicatula, obteve-se um expressivo conjunto de dados genômicos através de RAD-seq para as espécies. De modo que podem ser usados para auxiliar na classificação taxonômica e delimitação de espécies, bem como nos programas de coleta, conservação e melhoramento das espécies de PaspalumAbstract: Brazilian cattle ranching is predominantly based on the use of pasture for livestock feeding. These cover extensive areas, which makes the world's largest commercial herd feasible and the position of the largest beef exporter. U. humidicola is among the exotic forages most cultivated in Brazilian pastures; occurs in humid places, poor drainage or seasonal flooding, which is why it occupies extensive areas in the cerrado and Amazon region. Native species of the genus Paspalum, present forage and ornamental potential, and stand out for the great intra-specific variability to be explored. The launching of new cultivars is an alternative to pasture diversification, and is the main way to mitigate problems arising from monoculture. However, there are few studies about the genetic-molecular-genomic profile in these forage grasses. And knowing the extent of genetic variability contained within germplasm banks helps in planning strategies to maximize genetic gains in breeding programs. In this context, this thesis aimed to contribute to the knowledge on the genetics and genomics of species of these two important genus of tropical forages. Using RNA-seq and de novo assembly, the global transcriptomic profile of U. humidicola leaf and leaf and flower of P. notatum was obtained. For U. humidicola, 35,093 unigenes were obtained, representing the first transcriptome for the species. These were annotated and related to C4 carbon fixation pathways, lignocellulose synthesis and stress response to flooding. The search for potential markers revealed 4,489 microsatellites (SSR) and 560,298 single nucleotide polymorphisms (SNPs). We identified unique and differentially expressed genes, corroborated by qPCR, between the two genotypes of the Embrapa germplasm bank used for analysis, apomictic accession BH16 "BRS Tupi cultivar" (CIAT 26149) and the only sexual genotype of the species, accession BH031 (CIAT 26146). Also the probable hybrid origin for BH031 was suggested. For P. notatum, a highly representative transcriptome was generated from two tissues (leaf and flower) of six genotypes with biological replicates, presenting different ploidy and mode of reproduction (sexual or apomictic), resulting in more than 100,000 unigenes assembled with robust metrics. Differential gene expression approaches between sexual and apomictic, enrichment of GO terms (Gene Ontology) and gene coexpression network, were identified as candidates for apomixia. These can be better investigated to elucidate this intriguing mechanism of reproduction, as well as to develop markers linked to apomixis. Additionally, in the Paspalum study, the first genomic SSR markers for P. plicatulum were developed and transferred to other species that make up the Plicatula botanical group, constituting a valuable tool for the study of the genetic variability of germplasm bank accessions of the species studied. Still, in order to deepen the knowledge about the complex Plicatula group, an expressive set of genomic data was obtained through RAD-seq for the species. So it can be used to aid in the taxonomic classification and species delimitation, as well as in collects, conservation and breeding programs of the Paspalum speciesDoutoradoGenetica Vegetal e MelhoramentoDoutora em Genética e Biologia Molecular2013/14903-2FAPES