Molecular mechanisms of tolerance to water deficit in soybeans: characterization of metabolic pathways and regulatory networks

A soja [Glycine max (L.) Merr.] é uma das mais importantes culturas em todo o mundo, sendo fonte de alimento, energia e recursos industriais. Diante dessa versatilidade, grandes esforços têm sido realizados para aumentar sua produção, bem como tolerância às variações nas condições ambientais. No âmbito mundial, a seca se posiciona no primeiro lugar como desastre natural, restringindo a produção e expansão agrícola. Portanto, o desenvolvimento de genótipos tolerantes visando reduzir o impacto do déficit hídrico na produção de soja é fundamental. No entanto, a realização de tal objetivo é altamente dependente da elucidação dos mecanismos fisiológicos, bioquímicos e moleculares de tolerância à seca e sua interação com alterações ambientais. Mesmo com o advento das tecnologias de alto rendimento, ainda é um desafio abordar de modo integrativo todos os níveis da expressão gênica até o fenótipo. Portanto, a perspectiva da biologia de sistemas é necessária para entender as redes em escala de genoma necessárias para obter cultivares tolerantes à seca. Neste trabalho, apresentamos dados fisiológicos e genômicos funcionais obtidos a partir de análises comparativas de transcriptoma e proteoma entre dois genótipos de soja, BR16 e Embrapa 48, contrastantes para tolerância à seca. As plantas foram avaliadas em condições de plena irrigação (controle) e sob déficit hídrico. As análises fisiológicas mostraram que esses genótipos exibem comportamentos diferenciais em resposta ao déficit hídrico. De fato, o genótipo Embrapa 48 retardou a desidratação foliar, apresentado maiores taxa fotossintética, eficiência no uso da água, carboxilação, taxa aparente de transporte de elétrons e eficiência fotoquímica efetiva do fotossistema II em comparação ao genótipo BR16 sob mesmas condições. Apesar de compartilharem as mesmas categorias funcionais de genes responsivos ao estresse, as análises dos transcriptomas das folhas demonstraram uma menor reprogramação gênica para o genótipo Embrapa 48, sugerindo que a tolerância à seca resulta de um certo nível de transcritos que predispõem a planta mesmo antes do início da seca. A tolerância também pode ser atribuída a genes envolvidos no processo de biossíntese da parede celular em resposta à seca. Assim, propomos uma hipótese de que as plantas do genótipo tolerante expostas ao déficit hídrico exibem mudanças transcricionais que são resultantes de modificações da parede celular pelo aumento de cadeias laterais dos polímeros pécticos ramnogalacturonano II, formando géis hidratados capazes de limitar o dano às células nas folhas. Houve uma manutenção do crescimento radicular e redução do crescimento relativo da parte aérea no estresse severo, além de maiores níveis radiculares de ácido abscísico. A análise diferencial das proteínas de raízes apresentaram maior abundância de proteínas relacionado a respiração, metabolismo antioxidativo e metabolismo de aminoácidos, sugerindo que o estado da água é mantido nas raízes do genótipo Embrapa 48 por meio do acúmulo de solutos orgânicos, como aminoácidos, que ajudam a manter o fluxo de água do solo para a planta, aumentando o teor relativo de água nas raízes do genótipo tolerante. Concluímos que a triagem de características radiculares e foliares, bem como a identificação de genes, proteínas e metabólitos envolvidos, foram essenciais para se obter uma melhor compreensão do mecanismo de tolerância à seca do genótipo Embrapa 48. Palavras-chaveŚ Fisiologia vegetal. Transcriptoma. Tolerância à seca.Soybean [Glycine max (L.) Merr.] Is one of the most important crops in the world, being a source of food, energy and industrial resources. In view of this versatility, great efforts have been made to increase its production, as well as tolerance to variations in environmental planting conditions. Worldwide, drought ranks first as a natural disaster, restricting agricultural production and expansion. Therefore, the development of tolerant genotypes to reduce the impact of water deficit on soybean production is essential. However, the achievement of this objective is highly dependent on elucidating the physiological, biochemical and molecular mechanisms of drought tolerance and their interaction with environmental changes. Even with the advent of high-performance technologies, it is still a challenge to approach all levels of gene expression up to the phenotype in an integrative way. Therefore, the perspective of systems biology is necessary to understand the genome-scale networks necessary to obtain drought-tolerant cultivars. In this work, we present physiological and functional genomic data obtained from comparative analyzes of transcriptome and proteome between two soybean genotypes, BR16 and Embrapa 48, contrast for drought tolerance. The plants were evaluated under conditions of full irrigation (control) and under water deficit imposed by the suspension of irrigation. Physiological analyzes showed that these genotypes exhibit different behaviors in response to water deficit. The Embrapa 48 genotype delayed leaf dehydration, maintaining photosynthetic rate, apparent electron transport rate and effective photochemical efficiency of photosystem II, even under deficit. In addition, no changes in stomatal conductance or isotopic composition of 13C were observed, suggesting the importance of hydraulic conductivity for tolerance in this genotype. Analysis of leaf transcriptomes reported that genotypes, despite sharing the same functional categories of stress-responsive genes, gene reprogramming occurred to a lesser extent for Embrapa 48. Our analysis suggests that drought tolerance results from a certain level of gene transcription that predisposes the plant even before the drought begins. Tolerance can also be attributed to genes involved in the cell wall regulation and biosynthesis process in response to drought. Thus, we propose a hypothesis that plants of the tolerant genotype exposed to water deficit exhibit morphological changes that are the result of modifications of the cell wall by increasing side chains of the phamic polymers rhamnogalacturonan II, forming hydrated gels capable of limiting damage to cells in the leaves. There was a maintenance of root growth and a reduction in the relative growth of the aerial part, in addition to higher root ABA levels. Differential analysis of root proteins revealed mechanisms of tolerance to water deficit related to respiration, antioxidative metabolism and metabolism of amino acids. Suggesting that the state of the water is maintained in the roots of the Embrapa 48 genotype through the accumulation of soluble organic solutes, such as amino acids, which help to maintain the flow of water from the soil to the plant, increase the RWC in the roots of the tolerant genotype. We concluded that the screening of root and leaf characteristics, as well as the identification of genes, proteins and metabolites involved, were essential to obtain a better understanding of the drought tolerance mechanism of the Embrapa 48 genotype. KeywordsŚ Plant physiology. Transcriptome. Drought tolerance