Gene regulatory networks: co-expression modules of protein coding genes and small RNAS governing essential biological processes in Coffea arabica L.

Abstract

Coffee plants are the source of one of the most world-wide traded commodities. From harvesting, though processing to commercializing the coffee bean moves an international market that supports the livelihood of millions. The progressing understanding of how plants function at a cellular, molecular, and physiological level has enabled successive technological breakthroughs, this, in turn, has allowed a positive balance between the supply and demand for food. These successive breakthroughs of frontiers in agricultural knowledge are taking place along centuries of civilization. At this point, one of the most relevant frontiers of biology is at the molecular level. The understanding of how plants organize their physiological processes at the molecular level may be the way to finally balance agriculture with sustainable development. Advances in molecular biology are making this understanding possible by investigating how complex networks of regulatory elements coordinate the functioning of plants and other organisms. This thesis has the objective of contributing to the effort of revealing the functional dynamics of Coffea arabica metabolism using integrated biological data. From genome and transcriptome sequencing data of coffee samples, I was able to identify evolutionary phenomena such as gene balance, to predict and ascertain for the presence of metabolites, and to reveal multiple types of RNAs involved in control and/or developmental processes of flowering in Coffea arabica. Our discoveries regarding the organization and possible evolutionary trends of this genome can guide future works with the objective of maintaining the continuity of coffee.

O cafeeiro é a fonte de uma das commodities mais negociadas no mundo. Da colheita, processamento e comercialização, o grão de café movimenta um mercado internacional do qual depende a vida de milhões de pessoas. O progressivo entendimento de como as plantas funcionam vem promovendo sucessivas evoluções tecnológicas que garantiram uma maior oferta de alimentos. Estas sucessivas quebras de fronteiras no conhecimento agrícola estão ocorrendo ao longo de séculos de civilização. Uma das fronteiras mais imediatas no momento é molecular. Entender como as plantas organizam seus processos fisiológicos ao nível molecular pode ser o caminho para finalmente conciliar a agricultura ao desenvolvimento sustentável. O avanço da biologia molecular está tornando possível esse entendimento pela investigação de como complexas redes de elementos reguladores coordenam o funcionamento dos das plantas e outros organismos. Este trabalho de tese teve por objetivo contribuir na compreensão do metabolismo de Coffea arabica por processamento de dados biológicos integrados. A partir de dados de sequenciamento do genoma e transcriptomas de café foi possível identificar fenômenos evolucionários de balanceamento do número de genes, predizer e comprovar a ocorrência de metabólitos e revelar diferentes tipos de RNA envolvidos no controle do florescimento de Coffea arabica. Estas descobertas relacionadas à organização e possíveis tendências evolutivas do genoma podem guiar futuros trabalhos com o objetivo de manter a continuidade do cultivo de café.