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Molecular orchestration of central metabolism as an adaptation strategy in plants under biotic and abiotic stresses

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Resumo

A segurança alimentar global e a sustentabilidade agrícola dependem da compreensão profunda de como as plantas gerenciam recursos energéticos e moleculares sob condições ambientais adversas. Esta tese investiga os mecanismos de resiliência vegetal através de uma abordagem de biologia de sistemas, integrando transcritômica de alto desempenho e metabolômica para decifrar as respostas a estresses bióticos e abióticos em três modelos distintos: a potencial halófita Gliricidia sepium, a halófita Portulaca oleracea e a cultura perene Elaeis guineensis. O primeiro capítulo investiga a dinâmica temporal da tolerância à salinidade extrema em G. sepium, evidenciando uma alternância metabólica bifásica. Observa-se que a planta transita de um estado inicial de conservação de carbono, mediado pela β-oxidação de lipídios, para uma fase de adaptação de alto desempenho caracterizada pela reativação da glicólise e do ciclo do TCA, orquestrada por isoformas específicas da enzima frutose-1,6-bifosfato aldolase (FBPA). Complementando essa visão temporal, o segundo capítulo explora a regulação órgão-específica em P. oleracea, evidenciando uma divisão de trabalho molecular onde as raízes priorizam o aporte bioenergético para a homeostase iônica, enquanto as folhas reprogramam o metabolismo lipídico para mitigar danos oxidativos, sob a regência de redes de regulação gênica (GRNs) distintas lideradas pelas famílias bHLH, B3 e bZIP.Expandindo a análise para o estresse biótico, o terceiro capítulo apresenta uma desconstrução multi-ômica da Doença do Anel Vermelho no dendezeiro. Através da integração de dados de RNA-Seq e metabolômica, são identificados biomarcadores específicos para a detecção do nematoide Bursaphelenchus cocophilus e mapeadas vias metabólicas cruciais da planta hospedeira, fornecendo alvos genéticos estratégicos para o desenvolvimento de variedades resistentes via edição gênica. Coletivamente, esses estudos demonstram que a resiliência vegetal não é um atributo estático, mas uma propriedade emergente da plasticidade metabólica e da coordenação precisa entre tecidos e fluxos de carbono. Ao investigar estresses bióticos e abióticos, esta tese estabelece uma base científica robusta para o melhoramento de precisão, oferecendo soluções biotecnológicas integradas para a agricultura em ambientes marginais e sob crescente pressão patogênica.

Abstract

Global food security and agricultural sustainability depend on a deep understanding of how plants manage energy and molecular resources under adverse environmental conditions. This thesis investigates the mechanisms of plant resilience through a systems biology approach, integrating high-throughput transcriptomics and metabolomics to decipher responses to biotic and abiotic stresses in three distinct models: the potential halophyte Gliricidia sepium, the halophyte Portulaca oleracea, and the perennial crop Elaeis guineensis. The first chapter investigates the temporal dynamics of extreme salinity tolerance in G. sepium, highlighting a biphasic metabolic alternation. It is observed that the plant transitions from an initial state of carbon conservation, mediated by β-oxidation of lipids, to a high-throughput adaptation phase characterized by the reactivation of glycolysis and the TCA cycle, orchestrated by specific isoforms of the enzyme fructose-1,6-bisphosphate aldolase (FBPA). Complementing this temporal perspective, the second chapter explores organ-specific regulation in P. oleracea, highlighting a molecular division of labor where roots prioritize bioenergetic input for ionic homeostasis, while leaves reprogram lipid metabolism to mitigate oxidative damage, under the governance of distinct gene regulatory networks (GRNs) led by the bHLH, B3, and bZIP families. Expanding the analysis to biotic stress, the third chapter presents a multi-omics deconstruction of Red Ring Disease in oil palm. Through the integration of RNA-Seq and metabolomics data, specific biomarkers for the detection of the nematode Bursaphelenchus cocophilus are identified, and crucial metabolic pathways of the host plant are mapped, providing strategic genetic targets for the development of resistant varieties via gene editing. Collectively, these studies demonstrate that plant resilience is not a static attribute, but an emergent property of metabolic plasticity and the precise coordination between tissues and carbon flows. By investigating biotic and abiotic stresses, this thesis establishes a robust scientific basis for precision breeding, offering integrated biotechnological solutions for agriculture in marginal environments and under increasing pathogenic pressure.

Descrição

Área de concentração

Biotecnologia Vegetal

Linha de pesquisa

Análise Genômica e Funcional

Agência de desenvolvimento

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Citação

BRAGA, Italo de Oliveira. Molecular orchestration of central metabolism as an adaptation strategy in plants under biotic and abiotic stresses. 2026. 99 p. Tese (Doutorado em Biotecnologia Vegetal) - Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2026.

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