Mecanismos epigenéticos e bioprospecção de bactérias presentes em nódulos do feijoeiro comum (Phaseolus vulgaris L.)

Orientadora: Prof. Dr. Lygia Vitória Galli TerasawaCoorientadores: Prof. Dr. Daiani Cristina Savi, Prof. Dr. Douglas Adamoski MeiraDissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Biológicas, Programa de Pós-Graduação em Genética. Defesa : Curitiba, 01/04/2021Inclui referênciasResumo: O nitrogênio gasoso (N2) é a forma mais estável de nitrogênio no planeta Terra, no entanto, precisa ser convertido em formas químicas assimiláveis pelas plantas, através da Fixação Biológica do Nitrogênio (FBN). Após a fotossíntese, esse é o processo biológico mais importante para a manutenção dos ecossistemas naturais. Bactérias fixadoras de nitrogênio denominadas "rizóbios" possuem a capacidade de formar nódulos, estruturas específicas nas raízes das leguminosas para a FBN. A bioprospecção de bactérias eficientes para a realização da FBN leva em consideração duas linhas diferentes de pesquisa, uma que busca dentro de uma diversidade de bactérias e outra que explora algo mais especifico, como por exemplo um padrão de regulação da expressão gênica em uma bactéria alvo. Portanto, o objetivo geral deste trabalho foi contribuir para a compreensão sobre os mecanismos epigenéticos que regulam a nodulação no feijoeiro comum e na soja através de uma revisão de literatura, isolar, identificar e verificar o potencial para a fixação biológica do nitrogênio de bactérias presentes em nódulos de duas cultivares, BRS Esteio e IPR Sabiá, do feijoeiro comum (Phaseolus vulgaris L.). A revisão de literatura foi realizada entre os meses de agosto e dezembro de 2020, sendo os mecanismos epigenéticos encontrados a metilação do DNA, modificação de histonas e pequenos RNAs, ocorrendo concomitantemente na bactéria e na planta. Para a bioprospecção de novas linhagens, 176 bactérias foram isoladas a partir de nódulos de feijoeiro utilizados como iscas, as quais foram agrupadas pela metodologia BOXPCR livre de extração e separadas em 33 grupos considerando dissimilaridade de 80%. Segundo o índice de diversidade de Shannon, a cv. BRS Esteio coletada em solo com pH 5.84 apresentou a maior diversidade genética para os isolados bacterianos Um representante de cada grupo foi escolhido aleatoriamente para a identificação por análise filogenética do gene 16S rDNA. 57% dos isolados pertencem ao gênero Rhizobium, os demais foram identificados como Bacillus, Pseudomonas, Herbaspirillum e Enterobacter. Os 33 isolados foram inoculados em sementes da cv. IPR Sábia em ensaio em casa de vegetação a fim de estimar seu potencial na FBN, um isolado do gênero Rhizobium e um isolado do gênero Herbaspirillum apresentaram resultados significativos com relação a massa seca da parte aérea e massa seca da raiz. Este trabalho visou contribuir para o conhecimento atual sobre regulação epigenética durante o processo de nodulação, assim como investigar in situ se bactérias indígenas fixadoras de nitrogênio isoladamente podem proporcionar benefícios à planta hospedeira. Esta pode ser uma perspectiva na obtenção de novos inoculantes, que são fundamentais para o estabelecimento de uma agricultura com mais qualidade, viabilidade e ganho econômico que beneficiem tanto o agricultor quanto o meio ambiente.Abstract: Gaseous nitrogen (N2) is the most stable form of nitrogen on Planet Earth, however it needs to be converted into chemical forms assimilable by plants, through Biological Nitrogen Fixation (BNF). After photosynthesis, this is the most important biological process for the maintenance of natural ecosystems. Nitrogen-fixing bacteria, called "rhizobia" has the ability to form nodules, specific structures in the legume roots, for BNF. The bioprospecting of efficient bacteria for the BNF process takes into account two different lines of research, one that search within a diversity of bacteria and another that explores something more specific, such as a pattern of gene expression regulation in a target bacterium. Therefore, the general objective of this work was to contribute to the understanding of the epigenetic mechanisms that regulate nodulation in common bean and soybean through a literature review, to isolate, to identify and to verify the potential for biological nitrogen fixation of bacteria present in nodules of two cultivars, BRS Esteio and IPR Sábia, of the common bean (Phaseolus vulgaris L.). The literature review was carried out between August and December 2020, with the epigenetic mechanisms found being DNA methylation, histone modification and small RNAs, occurring concomitantly in the bacteria and the plant. For the bioprospecting of new strains, 176 bacteria were isolated from common bean nodules used as baits, which were grouped by the extraction-free BOX-PCR methodology and separated into 33 groups considering 80% dissimilarity. According to Shannon's diversity index, cv. BRS Esteio collected in soil with pH 5.84 showed the greatest genetic diversity for bacterial isolates. One representative from each group was chosen at random for identification by phylogenetic analysis of the 16S rDNA gene. 57% of the isolates belong to the genus Rhizobium, the others were identified as Bacillus, Pseudomonas, Herbaspirillum and Enterobacter. The 33 isolates were inoculated in seeds of cv. IPR Sábia in a greenhouse test in order to estimate its potential in BNF, one isolate of genus Rhizobium and one isolate of the genus Herbaspirillum showed significant results in relation to the shoot dry mass and root dry mass. This work aimed to contribute to the current knowledge on epigenetic regulation during the nodulation process, as well as to investigate in situ whether indigenous nitrogen-fixing bacteria alone can provide benefits to the host plant. This can be a perspective in obtaining new inoculants, which are fundamental for the establishment of an agriculture with more quality, viability and economical gains that benefits both the farmer and the environment