Expressão de genes de características agronômicas em Feijão-CAUPI

Tese(doutorado)—Universidade de Brasília, Departamento de Biologia Celular, Pós-Graduação em Biologia Molecular, 2011.O feijão-caupi (Vigna unguiculata L. Walp) é uma leguminosa de grande importância na alimentação humana, e tem sido alvo de melhoramento clássico por décadas, no entanto, algumas características, como resistência a estresses bióticos e teores de aminoácidos sulfurados em sementes, ainda não puderam ser incorporados. Nas últimas três décadas, uma série de tentativas foi realizada com intuito de desenvolver protocolos reprodutíveis na geração de feijão-caupi transgênico que permitam a expressão de genes de importância agronômica, especialmente aqueles que não foram incorporados pelo melhoramento clássico. No momento atual, vários pesquisadores têm estabelecido com sucesso procedimentos para transformação genética de feijão-caupi. Neste trabalho é relatada a obtenção de feijão-caupi transgênico resistente ao herbicida Imazapyr. Para isso, foram utilizados vetores contendo um cassete de expressão constitutivo da enzima AtAHAS. Estas plantas foram transformadas pela técnica de biobalística e um total de 16 linhagens transgênicas confirmadas por análises de Southern blot. Bioensaios para determinar a tolerância ao herbicida foram realizados usando diferentes concentrações de imazapyr. Algumas linhagens mostraram alta tolerância, sobrevivendo em até 400g/ha de imazapyr e não apresentando sintomas ao herbicida, demonstrando que o gene Atahas é capaz de gerar tolerância a herbicida a Imazapyr em feijão-caupi. Também é reportado neste trabalho, a introdução do gene de uma δ-zeína do milho (Zea mays) de 18 kDa (dzs18), que é rica em resíduos aminoácidos de metionina. Análises de Southern blot confirmaram a introdução do transgene no genoma da planta em múltiplos loci. No entanto, a segregação na progênie ficou próxima de uma razão de 1:1, sugerindo interferência na produção de gameta. Análises de expressão da proteína em sementes da única planta transgênica segregante foram negativas. Assim sendo, neste trabalho não foi possível analisar aumento dos níveis de metionina na semente. Não é possível concluir ainda o motivo da não expressão da δ-zeína em caupi, necessitando da geração de um número maior de eventos transgênicos segregantes. Dentre as plantas transformadas para expressar o gene dzs18, duas apresentaram fenótipo de esterilidade juntamente com multibrotação, multifloração e escasso número de folhas. Essas observações levaram a questionar se as mutações eram devido ao um efeito do transgene ou de mutagênese insercional, além de questionar que alterações nas flores poderiam estar levando ao fenótipo de esterilidade. Análises de Southern blot mostraram a presença de múltiplas cópias do transgene, aumentando as chances de que o fenótipo observado esteja relacionado com mutagênese insercional. Análise de polens e óvulos mostrou sérias alterações, além de indeiscência das anteras, explicando o fenótipo de esterilidade, concluindo tratar-se de alterações na maturação dos gametas. RT-PCR das folhas confirmou a presença de transcritos do transgene, sugerindo que as alterações podem estar relacionadas também com a expressão da δ-zeína. Os dados gerados não são capazes de confirmar se as mutações se devem ao transgene ou a mutagênese insercional, por isso mais análises precisam ser realizadas, incluindo a geração de mais eventos para esse transgene. Para isso também, bibliotecas de Genome walking foram confeccionadas para futura análise e correlação entre os lócus de inserção do transgene no genoma de feijão-caupi. _________________________________________________________________________________ ABSTRACTThe cowpea (Vigna unguiculata L. Walp) is a legume of great importance for human nutrition. Some characteristics, such as resistance to biotic stress and levels of sulfur amino acids in seeds, have not yet been incorporated by the classical breeding. In the last three decades several attempts were made in order to develop reproducible protocols for generation of transgenic cowpea plants, allowing the expression of genes of agronomic importance. At the present, several researchers have successfully established procedures for genetic transformation of cowpea, presenting evidence of stable transgene integration, which segregated in a Mendelian fashion. In this work it is reported the obtaintion of transgenic cowpea lines resistant to the imidazolinone herbicide group. For this, we used vectors containing a cassette for the AtAHAS enzyme constitutive expression. These lines were transformed by the biolistic system and a total of 16 transgenic lines was confirmed by Southern blot analysis. Bioassays to determine the tolerance to herbicide was carried out using different concentrations of imazapyr. Some lines showed high tolerance, surviving to 400g/ha imazapyr and presenting no herbicide symptoms. Different levels of tolerance could not be associated to the integrity of the expression cassette. It is also reported in this paper, the introduction in cowpea of an 18 kDa δ-zein gene of maize (Zea mays), which is rich in methionine amino acid residues. Southern blot analysis confirmed the introduction of the transgene into the plant genome at multiple loci. However, the segregation in the progeny did not occurred as expected, being closed to a segregation ration of 1:1, suggesting interference with the production of gametes. Analysis of protein expression in transgenic seeds of single plant segregating was negative. Thus, was not possible to analyze increased levels of methionine in the seed. It is not yet possible to conclude the reason for the negative expression of δ-zein in cowpea, necessitating the generation more number of segregating transgenic events. Among the plants transformed to express the δ-zein gene, two of then showed a sterility phenotype with multiple formation of both shoots and flowers. In addition, a small number of leaves was also observed. These lines had multiple copies of the transgene integrated into the genome, as observed in the Southern blot analysis, increasing the chances that the observed phenotype is related to insertional mutagenesis. Analysis of pollen and ovules showed serious change, and indehiscence anthers, explaining the phenotype of sterility, concluding that it is changes in the gametes maturation. RT-PCR confirmed the presence of sheets of transcripts of the transgene, suggesting that the changes may also be related to the expression of δ-Zein. The data generated are not able to confirm if mutations are due to the transgene or insertional mutagenesis, so further analysis must be performed, including generation of more transgene events. Genome walking libraries were prepared for further analysis and correlation between the locus of insertion of the transgene in the genome of cowpea