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Multiomic molecular integration in the response of cucumis sativus to biotic stress: a comprehensive analysis of the expression of protein kinases and cis-regulatory elements

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Pereira, Welison Andrade

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Silva , José Cleydson Ferreira da
Vasconcellos, Renato Coelho de Castro
Souza , Victor Hugo Moura de

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Resumo

As proteínas quinases (PKs) desempenham um papel fundamental na regulação de diversos processos metabólicos, o que justifica uma caracterização completa desta superfamília gênica. Associar os seus membros a respostas das plantas a estresses bióticos pode contribuir sobremaneira para elucidação das bases moleculares da interação planta patógeno. Este estudo teve por objetivos caracterizar a família PK do pepino; indicar sua distribuição genômica; evidenciar padrões de expressão em resposta a estímulos bióticos desencadeados por patógenos como Oídio (PM), Mancha de Alternaria (ALS) e Nematoide de Galhas (RKN), bem como, analisar a distribuição de cis-elementos na região potencialmente promotora dos genes diferencialmente expressos. A análise de modelos ocultos de Markov (HMMs) possibilitou classificar 835 PKs no Quinoma do pepino, distribuídas em seus sete cromossomos e categorizadas em 20 grupos distintos e 123 famílias, sendo o grupo RLK o mais abundante. Também foram observadas evidências de duplicação em tandem de genes PK, enriquecendo a compreensão da expansão desta superfamília gênica no pepino. Quanto aos perfis de expressão em resposta a PM, ALS e RKN, observou-se um número maior de genes PK expressos diferencialmente (PK DEGs) em genótipos suscetíveis quando submetidos a patógenos biotróficos (PM e RKN), ao contrário do que se observou com o patógeno necrotrófico ALS, onde maior número de PK DEGs foi encontrado no genótipo resistente. Estas descobertas contribuíram para a indicação de possíveis papéis das PKs do pepino na regulação de processos metabólicos, particularmente no contexto das interações planta-patógeno. Entende-se que esta caracterização abrangente abriu caminho para pesquisas subsequentes sobre os intrincados mecanismos subjacentes à expressão gênica, logo, às respostas do pepino a doenças importantes. Sob auxílio da plataforma PlantCARE, bem como da literatura, foram detectados 51,339 CREs (Elementos Cis-Regulatórios), os quais foram classificados em 7 grandes categorias e 125 tipos diferentes. A partir de uma análise posterior, foi possível indicar potenciais CREs que podem ser cruciais para a expressão gênica estimulada pelos estresses bióticos investigados neste estudo. Em conjunto, os resultados desta pesquisa possibilitaram indicar não apenas genes candidatos como também CREs que podem ser determinantes para etapas subsequentes que visam o desenvolvimento de genótipos resistentes a doenças específicas.

Abstract

Protein kinases (PKs) play a key role in the regulation of several metabolic processes, which justifies a complete characterization of this gene superfamily. Associating its members to plant responses to biotic stresses can greatly contribute to the elucidation of the molecular basis of plant-pathogen interaction. The objectives of this study were to characterize the cucumber PK family; indicate its genomic distribution; to show expression patterns in response to biotic stimuli triggered by pathogens such as powdery mildew (PM), Alternaria leaf spot (ALS) and Root-knot Nematode (RNK), as well as to analyze the distribution of cis-elements in the potentially promoter region of differentially expressed genes. The analysis of hidden Markov models (HMMs) made it possible to classify 835 PKs in the cucumber quinoma, distributed in its seven chromosomes and categorized into 20 distinct groups and 123 families, with the RLK group being the most abundant. Evidence of tandem duplication of PK genes was also observed, enriching the understanding of the expansion of this gene superfamily in cucumber. Regarding the expression profiles in response to PM, ALS and RKN, a higher number of differentially expressed PK genes (PK DEGs) was observed in susceptible genotypes when submitted to biotrophic pathogens (PM and RKN), contrary to what was observed with the necrotrophic pathogen ALS, where a higher number of PK DEGs was found in the resistant genotype. These findings contributed to the indication of possible roles of cucumber PKs in the regulation of metabolic processes, particularly in the context of plant-pathogen interactions. It is understood that this comprehensive characterization paved the way for subsequent research into the intricate mechanisms underlying gene expression, hence cucumber's responses to important diseases. With the help of the PlantCARE platform, as well as the literature, 51,339 CREs (Cis-Regulatory Elements) were detected, which were classified into 7 major categories and 125 different types. From a further analysis, it was possible to indicate potential CREs that may be crucial for gene expression stimulated by the biotic stresses investigated in this study. Taken together, the results of this research made it possible to indicate not only candidate genes, but also CREs that can be determinant for subsequent steps aimed at the development of genotypes resistant to specific diseases.

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COSTA, Francisco Cleilson Lopes. Multiomic molecular integration in the response of cucumis sativus to biotic stress: a comprehensive analysis of the expression of protein kinases and cis-regulatory elements. 2024. 100p. Tese (Doutorado em Genética e Melhoramento de Plantas) - Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2024.

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