tese
Transformação de Setaria viridis e Saccharum spp. com o gene MATE visando tolerância ao alumínio
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Universidade Federal de Lavras
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Não especifica vinculação com nenhum departamento
Programa de Pós-Graduação
Programa de Pós-Graduação em Biotecnologia Vegetal
Agência de fomento
Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)
Tipo de impacto
Áreas Temáticas da Extenção
Objetivos de Desenvolvimento Sustentável
Dados abertos
Resumo
Duas grandes limitações para a produção agrícola mundial, particularmente nas regiões tropicais, é a toxidez por alumínio (Al 3+ ) e o déficit hídrico. Regiões consideradas potenciais para a expansão agrícola canavieira no Brasil estão localizadas na região do Cerrado, caracterizado por apresentar solos ácidos e elevados níveis de Al 3+ . Sob níveis tóxicos de Al no solo, as raízes das plantas paralisam seu desenvolvimento e tornam-se incapazes de explorar camadas mais profundas do solo, restringindo a absorção de nutrientes, aumentando a susceptibilidade à seca e reduzindo a produção. Na busca por alternativas que favoreçam a expansão agrícola e o desenvolvimento das culturas agrícolas, este trabalho objetivou estudar um dos mecanismos fisiológicos associados à tolerância ao Al 3+ baseado no gene MATE. O gene MATE codifica uma proteína transmembrana da família Multidrug And Toxic Compound Extrusion Family, responsável pelo efluxo de citrato, pelo ápice radicular, ativado na presença de Al +3 . Devido à complexidade do genoma da cana-de-açúcar e o tempo necessário para obtenção de eventos transgênicos em cana-de-açúcar, Setaria viridis A10.1 foi utilizada como planta modelo para prova de conceito. S. viridis é uma planta de metabolismo C4, possuindo características como pequeno porte, ciclo de vida curto, produção de um grande número de sementes, genoma totalmente sequenciado, filogeneticamente próximo à cana-de-açúcar e, protocolo de transformação genética estabelecido. Deste modo, a proposta do presente trabalho envolveu a transformação genética de S. viridis para a superexpressão do gene MATE de Brachypodium distachyon (BdMATE), ortólogo do MATE de sorgo (SbMATE), visando o desenvolvimento de eventos tolerantes ao alumínio. Para tal, foram realizadas as seguintes etapas: i. transformação genética de S. viridis A10.1, ii. desenvolvimento de um bioensaio em hidroponia para testes com alumínio tóxico e a iii. fenotipagem dos eventos geneticamente modificados (GM) para tolerância ao alumínio. Eventos GM de S. viridis superexpressando o gene BdMATE apresentaram tolerância ao alumínio tóxico, sendo caracterizadas pelo crescimento diferencial das raízes em condições de estresse por Al +3 , quando comparadas às plantas não transformadas. Após a prova de conceito em S. viridis, foram gerados eventos GM de cana-de-açúcar, para superexpressar o gene SbMATE.
Abstract
A major limiting factor for plant growth is the aluminum (Al) toxicity displayed by acidic soils, especially in tropical regions. In Brazil, sugarcane is an economically important crop, for sugar, bioethanol and production. The expansion of the arable lands for sugarcane production in Brazil includes the Cerrado region, characterized by acidic soils and consequently high Al toxicity. Under high levels of aluminum in the soil, the root growth is restricted, and in such conditions, the roots are unable to explore deeper regions of the soil for the absorption of nutrients and water, with major yield losses. Thus, it is pivotal the development of new varieties of crops presenting aluminum tolerance. In this work, the model plant Setaria viridis A10.1 was transformed to generate transgenic plants with aluminum tolerance. S. viridis is a short, fast-growing, C4 plant with its genome sequence fully available, making it a reliable model for genetic studies. In addition, S. viridis is suitable for genetic transformation through Agrobacterium tumefaciens, with well-established transformation protocols. The idea was to use this model plant as a proof of concept for sugarcane, which has a complex genome and therefore it is less amenable for genetic transformation. The plants were transformed to overexpress a gene that belongs to the Multidrug And Toxic Compound Extrusion Family (MATE), which confers aluminum tolerance in sorghum (Sorghum bicolor). The sorghum MATE (SbMATE) is a membrane transporter responsible for the efflux of citrate to the rhizosphere, chelating Al 3+ ions, and consequently decreasing the toxicity of this metal. Here, we describe the genetic transformation of S. viridis with an orthologous of SbMATE, the BdMATE gene. In addition, the development of a hydroponic bioassay for Al stress and the phenotyping of the transformed plants are also described. The transgenic plants showed an Al-tolerance phenotype, characterized by sustained root growth under {20} µM Al 3+ , whereas nontransformed plants showed root growth inhibition. These promising results obtained in S. viridis prompted us to genetically transform sugarcane plants overexpressing SbMATE for Al tolerance.
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RIBEIRO, A. P. Transformação de Setaria viridis e Saccharum spp. com o gene MATE visando tolerância ao alumínio. 2016. 155 p. Tese (Doutorado em Biotecnologia Vegetal)-Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2016.