Análise de expressão diferencial de Sinorhizobium fredii NGR234 em nódulos de diferentes plantas hospedeiras

Abstract

Resumo: Sinorhizobium fredii NGR234 é um microrganismo capaz de fixar nitrogênio e é considerado um organismo modelo para estudos envolvendo interação simbiótica, devido a diversos trabalhos realizados com essa estirpe e ao conhecimento que se tem acerca de seu genoma. As interações planta-bactéria são consequência da troca de sinais moleculares específicos entre as espécies, de forma coordenada e integrada. Conhecer, a nível molecular e genético, as mudanças que ocorrem no metabolismo desses organismos, além da regulação de sinais e a expressão diferencial de genes quando o rizóbio se encontra sob diferentes condições é de grande importância para o processo de simbiose. Com o intuito de identificar diferenças no processo de interação entre S. fredii NGR234 e Phaseolus vulgaris, Tephrosia vogelii e Vigna unguiculata, foi analisado o transcriptoma de NGR234 através de RNA-Seq buscando os genes diferencialmente expressos. A confirmação de alguns genes que se mostraram diferenciais foi realizada através de RT-qPCR e de fusão transcricional a gene repórter (gfp) para observação de fluorescência em cortes de nódulos utilizando microscopia confocal. Além disso, esses genes foram analisados, com a finalidade de indicar as vias metabólicas e processos celulares de S. fredii NGR234 que esses genes pertencem, e assim, discutir a nível gênico as causas e consequências dessas diferenças. Como resultado, um pequeno número de genes diferencialmente expressos foi associado com o tipo de nódulo (determinado ou indeterminado), e várias evidências confirmaram que uma melhor fixação de nitrogênio ocorre em T. vogelii e em V. unguiculata. Os genes que compõem os operons do sistema de secreção tipo três (TTSS) e de síntese de lipopolissacarídeos ricos em ramnose foram mais expressos nos bacteroides de P. vulgaris e T. vogelii, em relação aos de V. unguiculata. Além das análises de genes diferencialmente expressos, uma análise preliminar de identificação de ncRNAs também foi realizada, já que nessa espécie não existe um amplo conhecimento acerca dos ncRNAs presentes em seu genoma. De um modo geral, esse trabalho gerou um conjunto de dados que poderá ser utilizado como referência para futuras investigações e estudos de vias e sistemas envolvidos na simbiose. Esses estudos serão importantes para um entendimento mais específico do processo de nodulação.

Abstract: Sinorhizobium fredii NGR234 is a microorganism that is able to fix nitrogen. It is considered a model organism in studies involving symbiotic interaction due to extensive research with this strain and what is known about its genome. Plant-bacteria interactions are a result of the exchange of specific molecular signals between species, in a coordinated and integrated way. The information about molecular and genetic changes that occur in the metabolism of these organisms, the signaling regulation, and the differential expression when the Rhizobium is under different conditions is of great importance in the process of symbiosis. In order to identify differences in the interaction process between S. fredii NGR234 and Phaseolus vulgaris, Tephrosia vogelii and Vigna unguiculata, the NGR234 transcriptome was analyzed using RNA-Seq, seeking differentially expressed genes. Confirmation of genes that seemed differential was performed by RT-qPCR and by confocal microscopy with transcriptional fusion with gfp as reporter gene. In addition, these genes were analyzed in order to recognize the S. fredii NGR234 metabolic pathways and cellular processes in which they take part, and thus discuss the causes and consequences of these differences. As a result, a small number of differentially expressed genes was associated with the type of nodule (determinate or indeterminate), and multiple lines of evidence confirmed that better nitrogen fixation occurs in T. vogelii and V. unguiculata. The genes present in the operons of the Type Three Secretion System (TTSS) and the synthesis of lipopolysaccharides rich in rhamnose were more expressed in P. vulgaris and T. vogelii bacteroids when compared to V. unguiculata. ncRNAs preliminary analysis was also performed, since there is no extensive knowledge about the ncRNAs that are present in the S. fredii NGR234 genome. Overall, this study has generated a data set which can be used as reference for future research and studies of the pathways and systems involved in symbiosis. These studies will be important for a more specific understanding of the nodulation process.