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Molecular orchestration of plant resilience: basis for precision breeding and biotic and abiotic stress tolerance

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Resumo

A agricultura global enfrenta atualmente pressões sem precedentes decorrentes da salinização do solo e das mudanças climáticas, o que exige uma transição do melhoramento convencional para uma abordagem mais racional e baseada em sistemas. Esta tese investiga a coordenação molecular da resiliência vegetal por meio de uma estrutura integrativa fundamentada em biologia de sistemas e tecnologias ômicas, com foco tanto no dendezeiro (Elaeis guineensis) quanto nos modelos biotecnológicos Portulaca oleracea e Gliricidia sepium. Ao integrar filogenômica, sequenciamento de alto desempenho e a inferência computacional de Redes de Regulação Gênica, esta pesquisa facilita a identificação de reguladores mestres e genes-alvo funcionais envolvidos na resposta a estressores ambientais complexos. O primeiro componente deste trabalho apresenta a EG-Net, um guia regulatório inédito projetado para orientar o melhoramento de precisão no dendezeiro ao mapear as intrincadas interações moleculares que governam as respostas a doenças letais e estresses abióticos. Complementando esta ferramenta aplicada, o estudo da halófita P. oleracea revela uma complexa reprogramação transcricional dependente de idade e tecido, caracterizada pela regulação dinâmica de aquaporinas (AQPs), proteínas de choque térmico (HSPs) e proteínas LEA/desidrina, governada por um núcleo de 22 reguladores de estresse exclusivos que medeiam o trade-off entre crescimento e defesa. Além disso, a investigação da G. sepium aprofunda o fenótipo de adaptação no qual as fases de sobrevivência ao choque e de recuperação fisiológica são marcadas pela regulação hidráulica, pelo ajuste coordenado de proteínas LEA e HSP, pela indução ectópica da aquaporina específica de semente TIP3-1 e pela modulação de vias de sinalização hormonal específicas. Coletivamente, esses achados demonstram que a resiliência vegetal não é um atributo estático, mas um processo dinâmico dependente da plasticidade da arquitetura transcricional e de uma coordenação temporal precisa. Ao ir além da identificação de genes candidatos isolados, esta tese estabelece uma base conceitual robusta para futuras intervenções biotecnológicas. A integração desses resultados reforça uma mudança significativa de paradigma em direção à engenharia baseada em sistemas, fornecendo a inteligência genômica necessária para desenvolver culturas de alto desempenho capazes de manter a produtividade diante da expansão global de ambientes marginais e da intensificação das instabilidades climáticas.

Abstract

Global agriculture is currently confronted with unprecedented pressures resulting from soil salinization and climate change, necessitating a transition from conventional breeding to a more rational, systems-based approach. This thesis investigates the molecular coordination of plant resilience through an integrative framework grounded in systems biology and omics technologies, focusing on both the oil palm (Elaeis guineensis) and the extremophile models Portulaca oleracea and Gliricidia sepium. By integrating phylogenomics, high-throughput sequencing, and the computational inference of Gene Regulatory Networks (GRNs), this research facilitates the identification of master regulators and functional gene targets involved in the response to complex environmental stressors. The first component of this work introduces EG-Net, an unprecedented regulatory blueprint designed to guide precision breeding in oil palm by mapping the intricate molecular interactions governing responses to lethal diseases and abiotic stresses. Complementing this applied tool, the study of the halophyte P. oleracea reveals a complex age- and tissue-dependent transcriptional reprogramming characterized by the dynamic regulation of aquaporins (AQPs), heat shock proteins (HSPs), and LEA/dehydrin proteins, which is governed by a core of 22 unique stress regulators that mediate the trade-off between growth and defense. Furthermore, the investigation of G. sepium deepens the adaptation phenotype wherein the phases of shock survival and physiological recovery are marked by hydraulic regulation, the coordinated adjustment of LEA and HSP proteins, the ectopic induction of the seed-specific aquaporin TIP3-1, and the modulation of specific hormonal signaling pathways. Collectively, these findings demonstrate that plant resilience is not a static attribute but a dynamic process dependent on the plasticity of the transcriptional architecture and precise temporal coordination. By moving beyond the identification of isolated candidate genes, this thesis establishes a robust conceptual foundation for future biotechnological interventions. The integration of these results reinforces a significant paradigm shift toward systems-based engineering, providing the genomic intelligence necessary to develop high-performance crops capable of maintaining productivity amidst the global expansion of marginal environments and the intensification of climatic instabilities.

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Biotecnologia vegetal

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SILVA, Thalliton Luiz Carvalho da. Orquestração molecular da resiliência vegetal: bases para o melhoramento de precisão e tolerância a estresses bióticos e abióticos. 2026. 115 p. Tese (Doutorado em Biotecnologia Vegetal) – Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2026.

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