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Identification, characterization and comparative analysis of pattern recognition receptors (PRR) and nucleotide binding site-leucine rich repeat (NBS-LRR) in Coffea spp. Genome

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Objetivos de Desenvolvimento Sustentável

Dados abertos

Resumo

O café apresenta destaque no agronegócio mundial, especialmente no Brasil. Entretanto, a produção desta commodity tem sido afetada devido à ocorrência de diversas doenças, dentre elas a ferrugem, cujo agente etiológico é o fungo biotrófico Hemileia vastatrix. Uma estratégia promissora para o controle de doenças é o estudo dos receptores que desencadeiam a sinalização para o mecanismo de resistência em plantas. Portanto, os objetivos deste trabalho foram identificar e caracterizar receptores de reconhecimento de padrões (PRRs) no genoma de Coffea arabica e analisar a expressão gênica destes receptores em cultivares contrastantes de C. arabica inoculada com H. vastatrix. Além de identificar loci NLR (nucleotide-binding site leucine-rich repeat - NBS-LRR) em genomas de C. arabica, C. canephora e C. eugenioides usando o NLR-annotator; caracterizar a distribuição destes loci nos genomas de Coffea spp. e compreender a contribuição de C. canephora e C. eugenioides para o repertório de NLRs em C. arabica. Foram utilizadas abordagens baseadas no princípio de similaridade de sequência, conservação de motivos e domínios, análises filogenéticas, modulação da expressão gênica e análise de grupos ortólogos. Os resultados demostram que os PRRs candidatos em C. arabica (Ca1-LYP, Ca2-LYP, Ca1-CERK1, Ca2-CERK1, Ca-LYK4, Ca1-LYK5 e Ca2-LYK5) apresentam alta similaridade com PRRs de referência usados: Os-CEBiP, At-CERK1, At-LYK4 e At-LYK5. Os ectodomínios destes receptores apresentaram alta identidade ou similaridade com as sequências de referência, indicando conservação estrutural e funcional. Os PRRs candidatos são filogeneticamente relacionadas aos PRRs de referência (em Arabidopsis e arroz) e aqueles descritos em outras espécies de plantas. Todos os receptores candidatos tiveram sua expressão induzida após a inoculação com H. vastatrix, desde o primeiro tempo avaliado, às 6 horas pós-inoculação (hpi). Houve um aumento significativo às 24 hpi para a maioria dos receptores avaliados e uma supressão às 48 hpi. Um total de 1311 loci NLR não redundantes foram identificados em C. arabica, 927 em C. canephora e 1079 em C. eugenioides, dos quais 809, 562 e 695 são loci completos, respectivamente. O NLR-annotator apresentou alta sensibilidades e especificidades (acima de 99%) para identificar loci NLRs em café, além de aumentar a capacidade de detecção de NLR putativos nos genomas estudados. Os loci NLRs no café são distribuídos em todos os cromossomos e são organizados principalmente em clusters. O genoma de C. arabica apresenta um número menor de loci NLR quando comparado à soma dos genomas parentais (C. canephora e C. eugenioides). Existem NLRs ortólogos (ortogrupos) compartilhados entre café, tomate, batata e NLRs de referência e aqueles que são compartilhados apenas entre espécies de café. A análise filogenética demonstrou NLRs ortólogos compartilhados entre C. arabica e os genomas parentais e aqueles que foram possivelmente perdidos. Os membros da família NLR no café são subdivididos em dois grupos principais: TIR-NLR (TNL) e não-TNL. Os não-TNLs parecem representar um importante repertório de genes de resistência em café. Esses resultados podem subsidiar estudos funcionais de PRRs e NLRs e contribuir para o uso destes receptores no melhoramento genético do café visando o desenvolvimento de cultivares resistentes.

Abstract

Coffee stands out in world agribusiness, especially in Brazil. However, the production of this commodity has been affected due to the occurrence of several diseases, including rust, whose etiologic agent is the biotrophic fungus Hemileia vastatrix. A promising strategy for disease control is the identification and study of receptors that trigger the signaling for the resistance mechanism in plants. Therefore, the objectives of this work were to identify and characterize pattern recognition receptors (PRRs) in the Coffea arabica genome and analyze the gene expression of these receptors in contrasting cultivars of C. arabica inoculated with H. vastatrix. Besides identifying NLR loci (nucleotide-binding leucine-rich repeat site - NBS-LRR) in C. arabica, C. canephora and C. eugenioides genomes using the NLR-annotator; characterize the distribution of these loci in Coffea spp. and understand the contribution of C. canephora and C. eugenioides to the NLR repertoire of C. arabica. Approaches based on the principle of sequence similarity, motif and domain conservation, phylogenetic analysis, gene expression modulation and ortholog group analysis were used. The results demonstrate that the candidate PRRs in C. arabica (Ca1-LYP, Ca2-LYP, Ca1-CERK1, Ca2-CERK1, Ca-LYK4, Ca1-LYK5 and Ca2-LYK5) have high similarity with the reference PRRs used: Os-CEBiP, At-CERK1, At-LYK4 and At-LYK5. The ectodomains of these receptors showed high identity or similarity with the reference sequences, indicating structural and functional conservation. The candidate PRRs are phylogenetically related to reference PRRs (in Arabidopsis and rice) and those described in other plant species. All candidate receptors had their expression induced after the inoculation with H. vastatrix, since the first time of sampling at 6 hours post-inoculation (hpi). There was a significant increase at 24 hpi for most receptors evaluated and a suppression at 48 hpi. A total of 1311 non-redundant NLR loci were identified in C. arabica, 927 in C. canephora and 1079 in C. eugenioides, of which 809, 562 and 695 are complete loci, respectively. The NLR-annotator showed extremely high sensitivities and specificities (over 99%) for identifying NLR loci in coffee, besides to increasing the detection capability of putative NLRs in the studied genomes. The NLR loci in coffee are distributed among all chromosomes and are organized mostly in clusters. The C. arabica genome present a smaller number of NLR loci when compared to the sum of the parental genomes (C. canephora and C. eugenioides). There are orthologous NLRs (orthogroups) shared between coffee, tomato, potato and reference NLRs and those that are shared only between coffee species. Phylogenetic analysis demonstrated orthologs NLRs shared between C. arabica and the parental genomes and those that were possibly lost. The NLR family members in coffee are subdivided into two main groups: TIR-NLR (TNL) and non-TNL. The Non-TNLs seem to represent an important repertoire of resistance genes in coffee. These results can support functional studies of PRRs and NLRs and contribute to the use of these receptors in the coffee breeding, aiming at the development of resistant cultivars.

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SANTOS, M. de L. Identification, characterization and comparative analysis of pattern recognition receptors (PRR) and nucleotide binding site-leucine rich repeat (NBS-LRR) in Coffea spp. Genome. 2021. 123 p. Tese (Doutorado em Biotecnologia Vegetal) – Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2021.

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