Identificação e caracterização de genes de Herbaspirillum necessários para interação patogênica e não-patogênica com gramíneas e identificação de genes de Sorghum bicolor envolvidos na resistência a doença da estria vermelha

Abstract

Resumo: O gênero Herbaspiríllum compreende algumas espécies bactérias capazes de fixar o nitrogênio atmosférico em condições de microaerofilia. Várias espécies de Herbaspirillum já foram descritas, entre elas estão Herbaspirillum seropedicae e Herbaspirillum rubrisubalbicans. Herbaspirillum rubrisubalbicans é um dizotrofo, encontrado em associação benéfica com várias plantas de interesse econômico, entretanto quando se associa a variedade B4362 de cana de açúcar ou a variedades susceptíveis de sorgo é responsável por causar a doença da estria mosqueada e estria vermelha, respectivamente. Estas doenças diminuem a área fotossintética e a vida útil da folha devido aos danos causados nos tecidos foliares: manchas e necrose. Alguns fatores, como o Sistema de Secreção do Tipo III já foram descritos como essenciais para o desenvolvimento da doença, porém, outros fatores ainda precisam ser elucidados para o melhor entendimento dos processos de interação planta-bactéria envolvendo este microrganismo. Neste trabalho, a biossíntese de celulose, um exopolissacarídeo (EPS) sintetizado por H . rubrisubalbicans e ausente em H. seropedicae, foi avaliada quanto ao seu envolvimento com os processos de colonização, formação de biofilme e patogenicidade. O genótipo da planta parece ter papel crucial para o desenvolvimento da doença, técnicas de RNA-seq e QTL (Quantitative trait locus) foram aplicadas em genótipos de sorgo com o objetivo de identificar fatores, presentes na planta, potencialmente envolvidos com a interação entre H. rubrisubalbicans e Sorgo. Dentre os resultados obtidos, genes envolvidos com as vias clássicas de interação planta-patógeno foram identificados e sugerem H. rubrisubalbicans como um bom modelo para o estudo da patogenicidade em plantas de sorgo. Já H. seropedicae promove uma associação exclusivamente benéfica durante a interação com gramíneas, sendo responsável por aumentar até 120% do nitrogênio acumulado. Dentre as várias gramíneas que se associam a H. seropedicae está Setaria viridis. A associação entre Setaria viridis e H. seropedicae (em conjunto com Azospirillum brasilense) promove aumento significativo no tamanho da raiz e no número de raízes laterais. Neste trabalho também foram analisados os fatores relacionados a interação benéfica entre Setaria viridis e H. seropedicae através da técnica de TnSeq, bem como o comportamento desta bactéria em diferentes condições de cultivo. Diversos genes candidatos foram identificados e mostram possíveis vias pelas quais planta e bactéria interagem. Sendo estas duas espécies de Herbaspirillum geneticamente relacionadas, o entendimento das diferenças durante a interação planta bactéria torna-se importante para que os mecanismos envolvidos sejam elucidados e para que o potencial destes organismos como promotores de crescimento vegetal seja totalmente aproveitado.

Abstract: The Herbaspirillum genus comprises some nitrogen fixing bacteria, capable of fixate the atmospheric nitrogen under microaerophilic conditions. Several species of Herbaspirillum have been described, among them Herbaspirillum seropedicae and Herbaspirillum rubrisubalbicans. Herbaspirillum rubrisubalbicans is a diazotroph, being found in beneficial association with many plants of economic interest, however when the association occurs with sugarcane B4362 or a susceptible sorghum genotypes, the bacteria is responsible for causes the mottled stripe disease and red stripe disease respectively. These diseases decrease the photosynthetic area and a useful life of the leaf due to the damages caused on the foliar tissues: stripes and necrosis. Some factors, such as the Type III Secretion System have been already described as essential to the development of the disease; however, other factors still need to be elucidated for a better understanding of the plant-bacterial interaction processes. In this work, the cellulose biosynthesis, an exopolysaccharide (EPS) synthesized by H. rubrisubalbicans and absent in H. seropedicae, was evaluated for its involvement with colonization, biofilm formation and pathogenicity. As the plant genotype is also crucial to the development of the disease, the techniques of RNA-seq and QTL (Quantitative trait locus) were applied in sorghum genotypes to identify the factors present in the plant, potentially involved in the interaction between H. rubrisubalbicans and Sorghum. Among the results obtained, genes involved with classical pathways of plant-pathogen interaction were identified and suggested H. rubrisubalbicans as a good model for the study of pathogenicity in Sorghum plants. H. seropedicae promotes an exclusively beneficial association during the interaction with grasses, being responsible for increasing up to 120% of the accumulated nitrogen. Among the several grasses associated with H. seropedicae are Setaria viridis. The association between Setaria viridis and H. seropedicae (together with Azospirillum brasilense) promotes a significant increase in root size and number of lateral roots. In this work we also analyzed the factors related to the beneficial interaction between Setaria viridis and H. seropedicae through the Transposon Sequencing technique (TnSeq), as well as the behavior of this bacterium under different culture conditions. Several possible genes were identified and showed possible interaction pathways between plant and the bacteria. Being these two species genetically related, the understanding of the differences during the interaction becomes important to elucidate the mechanisms involved and to the potential of this organisms as plant growth promoters is fully utilized.