Expression of the CcDREB1D promoter in coffea arabica: functional genomics and transcriptome analysis

Abstract

A mudança climática está colocando um grande desafio para a produção mundial de café e uma das estratégias para superar esses problemas consiste na geração de culturas com maior tolerância à seca e outros estresses abióticos, através de abordagens biotecnológicas e avançadas técnicas de melhoramento molecular. Ao longo de sua evolução, as plantas desenvolveram uma série de mecanismos de tolerância ao estresse abiótico. No entanto, a ativação desses mecanismos varia dependendo da espécie da planta, que determina o seu nível de tolerância ao estresse. A elucidação da função dos genes de tolerância ao estresse e também do processo de defesa vegetal nestas condições é de fundamental importância para a obtenção de variedades agrícolas mais resistentes, o que consequentemente pode contribuir para a redução de perdas nas culturas em condições climáticas adversas. Estudos recentes resultaram na identificação de muitos genes candidatos em Coffea para tolerância à seca apresentando perfis de expressão diferencial contrastantes entre genótipos. Entre estes genes, os DREBs estão envolvidos na via de resposta ao estresse hídrico como os fatores de transcrição vegetais que regulam a expressão de muitos genes induzíveis por estresse e desempenham um papel crítico na melhoria da tolerância ao estresse abiótico das plantas através da interação com um cis –elemento (DRE/CRT) presente na região promotora de vários genes responsivos ao estresse abiótico. Entre outros DREBs, o gene CcDREB1D mostrou um aumento nos níveis de mRNA durante a aclimatação por estresse de seca. Isto indica uma regulação distinta para a expressão de genes homólogos nos dois genótipos e sugere que este gene pode contribuir para a diversidade observada entre genótipos. Atualmente, as estratégias de sequenciamento de alto desempenho do transcriptoma (RNA-Seq) permitem gerar um grande volume de dados, a baixo custo e em um curto período de tempo. Esta informação permite a realização de estudos de perfis transcripcionais e redes genéticas numa compreensão aprofundada de vários perfis de genes. Diante deste contexto, o capítulo 1 apresenta uma revisão de literatura englobando desde as características de origem e comerciais do café até o estudo de genes e seu transcriptoma. O Capítulo 2 compreendeu o estudo de três haplótipos do promotor CcDREB1D isolados de clones tolerantes e sensíveis à seca de C. canephora avaliando a capacidade do promotor para controlar a expressão do gene repórter uidA em resposta ao déficit hídrico. O Capítulo 3 compreendeu o estudo do haplótipo pHP16L isolado de C. canephora e sua participação na expressão do gene repórter uidA em resposta aos estresses de seca, altas e baixas temperaturas, alta intensidade luminosa e aplicação exógena de ABA, acompanhados de dados de RT-qPCR. O capítulo 4 compreendeu analisar as condições de expressão do haplótipo pHP16L do promotor DREB1D sob uma faixa representativa dos estresses abióticos mais comuns, utilizando a técnica de RNA-seq como ferramenta para entender o mecanismo de tolerância ao estresse das plantas e a expressão dos genes estresse induzido bem como dos genes DREBs, acompanhados de validação dos dados pela técnica RT-qPCR.

Climate change is posing a major challenge to coffee worldwide production and one of the strategies to overcome these problems consists in the generation of crops with increased tolerance to drought and other abiotic stresses, through biotechnological approaches and advanced molecular breeding techniques. Throughout its evolution, plants have developed a series of mechanisms of tolerance to abiotic stresses. However, the activation of these mechanisms varies depending on the plant species, which determines your level of tolerance to stress. The elucidation of the function of the genes of tolerance to stress and also of the process of vegetal defense in these conditions is of fundamental importance for the obtaining of more resistant agricultural varieties, which consequently can contribute to the reduction of losses in the crops in adverse climatic conditions. Recent studies resulted in the identification of many candidate genes in Coffea for drought tolerance presenting contrasted differential expression profiles between genotypes. Among those are found the genes involved in the water stress response pathway, such as the DREB transcription factors. DREBin mRNA levels during drought stress acclimation. This indicates a distinct regulation for homologous gene expression in the two genotypes and suggests that this gene mightClimate change is posing a major challenge to coffee worldwide production and one of the strategies to overcome these problems consists in the generation of crops with increased tolerance to drought and other abiotic stresses, through biotechnological approaches and advanced molecular breeding techniques. Throughout its evolution, plants have developed a series of mechanisms of tolerance to abiotic stresses. However, the activation of these mechanisms varies depending on the plant species, which determines your level of tolerance to stress. The elucidation of the function of the genes of tolerance to stress and also of the process of vegetal defense in these conditions is of fundamental importance for the obtaining of more resistant agricultural varieties, which consequently can contribute to the reduction of losses in the crops in adverse climatic conditions. Recent studies resulted in the identification of many candidate genes in Coffea for drought tolerance presenting contrasted differential expression profiles between genotypes. Among those are found the genes involved in the water stress response pathway, such as the DREB transcription factors. DREB contribute to the diversity observed between genotypes. Currently, high- performance sequencing strategies of the transcriptome (RNA-Seq) allow to generate a large volume of data, at low cost and in a short period of time. This information allows the realization of studies of transcriptional profiles and gene networks in an in-depth understanding of several gene profiles. Facing this context, the Chapter 1 presents a review of the literature encompassing from the origin and commercial characteristics of coffee, to the study of genes and their transcriptome. The Chapter 2 evaluated the activity of three CcDREB1D promoter haplotypes isolated from drought-tolerant and drought-susceptible clones of Coffea canephora by evaluating their ability to control the expression of the uidA reporter gene in response to water deficit. The Chapter 3 comprised the study of the haplotype pHP16L isolated from C. canephora and its participation in the expression of the uidA reporter gene in response to drought, high and low temperatures, high light intensity and exogenous ABA application stresses, accompanied by RT-qPCR data. The Chapter 4 comprised analyzing the expression conditions of the pHP16L haplotype of the DREB1D promoter under a representative range of the most common abiotic stresses using the RNA-Seq technique as a tool to understand the mechanism of plant stress tolerance and induced stress genes expression as well as DREBs gene, accompanied by data validation by the RT-qPCR technique.