Caracterização e utilização de genes envolvidos na tolerancia ao aluminio toxico em milho
Geraldo Magela de Almeida Cançado
TESE
Português
(Broch.)
T/UNICAMP C16c
[Characterization and utilization of genes involved with aluminum tolerance in maize]
Campinas, SP : [s.n.], 2006.
153p. : il.
Orientador: Marcelo Menossi
Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia
Resumo: Solos ácidos são encontrados em todas as regiões do planeta e em grandes proporções nas regiões tropicais e subtropicais. Como conseqüência da acidez do solo, o alumínio (Al), metal mais abundante da crosta terrestre, torna-se solúvel e atinge concentrações tóxicas para a maioria das...
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Resumo: Solos ácidos são encontrados em todas as regiões do planeta e em grandes proporções nas regiões tropicais e subtropicais. Como conseqüência da acidez do solo, o alumínio (Al), metal mais abundante da crosta terrestre, torna-se solúvel e atinge concentrações tóxicas para a maioria das espécies de plantas cultivadas. O primeiro dano provocado pelo Al iônico é a redução do desenvolvimento radicular, causando distúrbios fisiológicos que acarretam na redução da produção. Devido às limitações dos métodos convencionais de correção do pH do solo e a necessidade de longos períodos de tempo para o desenvolvimento de novas cultivares pelo melhoramento genético clássico, muita ênfase tem sido dada para a compreensão dos mecanismos de toxidez e de tolerância ao Al em plantas. Pois, com a aquisição destes conhecimentos, espera-se mais sucesso na obtenção de plantas tolerantes ao Al com o emprego da tecnologia de DNA recombinante e da seleção assistida por marcadores moleculares. Neste trabalho utilizamos duas linhagens de milho contrastantes para tolerância ao Al: Cat100-6 (tolerante ao Al) e S1587-17 (sensível ao Al), com o objetivo de estudar as alterações na expressão gênica promovidas pelo estresse de Al no ápice radicular. A presente tese esta dividida em três linhas de pesquisa: i) identificação, clonagem e caracterização de um gene codificando uma enzima glutationa S-transferase e avaliação dos efeitos do Al na sua expressão gênica; ii) avaliação das alterações na expressão gênica em ápices de raízes de duas linhagens de milho quando submetidos ao estresse de Al, utilizando um sistema de hibridização heterólogo com ESTs (expressed sequence tags) de cana-de-açúcar; e iii) clonagem e caracterização em milho do gene ALMT1, pertencente a uma nova classe de proteína transportadora de moléculas orgânicas especificamente ativada pelo Al. No trabalho com o gene GST27.2 observamos que este gene foi induzido pelo estresse provocado por Al e por Cd (cadmio) e que mutações que provocavam alterações na composição de aminoácidos da proteína poderiam promover alterações vi na atividade e na especificidade desta enzima. Além disso, o gene GST27.2 parece ser um novo alelo do gene GST27 estando presente como cópia única no genoma das linhagens de milho estudadas. Já no trabalho de avaliação da expressão gênica em larga escala, foram identificados 85 genes nos ápices radiculares das duas linhagens de milho cuja expressão foi diferencialmente alterada pela presença do Al. Embora alguns dos genes já tivessem sido descritos como responsivos ao Al, para a maior parte dos genes identificados neste trabalho, este foi o primeiro relato descrevendo seu envolvimento com o estresse de Al. A clonagem em milho do gene homológo ao gene ALMT1, demonstrou que o milho também deve ter uma proteína de membrana presente em células do ápice radicular que pode estar envolvida com transporte de moléculas orgânicas. Embora a proteína não esteja envolvida com o transporte de malato, a mesma teve sua atividade melhorada pela presença do Al. Entretanto, o gene que codifica esta proteína é reprimido no tecido do ápice radicular das linhagens de milho tolerante e sensível ao Al, o que pode indicar a existência de regulação pós-transcricional. Os resultados obtidos a partir destas três abordagens contribuíram para a compreensão dos mecanismos de tolerância e toxidez ao Al em raízes de milho. Futuramente, essas informações auxiliarão na escolha de genes mais apropriados para a criação de plantas geneticamente alteradas mais adaptadas a presença do Al no solo
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Abstract: Acid soils are found worldwide but most of them are located in tropical and subtropical regions. Aluminum (Al), the most abundant metal on the earth surface, becomes soluble in the soil solution as consequence of low pH in acid soils and achieves phytotoxic levels for most of the...
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Abstract: Acid soils are found worldwide but most of them are located in tropical and subtropical regions. Aluminum (Al), the most abundant metal on the earth surface, becomes soluble in the soil solution as consequence of low pH in acid soils and achieves phytotoxic levels for most of the cultivated plant species. The first symptom of Al toxicity is the inhibition of the root growth that promote physiological disturbs reducing crop yield. Because of limitations of correcting soil pH by liming and the time-consuming process of traditional plant breeding, the elucidation of the mechanisms involved with plant Al-tolerance and Al-toxicity has received more attention, since the production of genetically altered plants has emerged as an effective and fast strategy to the production of improved cultivars. Two maize lines, Cat100-6 (Al-tolerant) and S1587-17 (Al-sensitive), were used in this study with the aim of understanding at the transcriptional level the alterations promoted by Al on the roots. The research was divided in three main sections: i) detection, cloning and characterization of a gene encoding a Glutathione S-transferase in maize and evaluation of Al effects on its expression; ii) Large-scale evaluation of gene expression in root tips of maize under Al stress using a heterologous system with Expressed Sequence Tags (ESTs) of sugarcane; and iii) cloning and characterization of the ALMT1 gene in maize and evaluation of Al-effects on its activity. In the first section was observed that Al and Cd-stress induced the GST27.2 gene. Two mutations present on the nucleotide chain of this gene promoted alteration on the amino acid compositions. These alterations might be responsible by alterations on the specificity and activity of the GST enzyme. Besides that, the GST27.2 is a single copy gene in maize and seem to be a new allele of GST27. In the section of large-scale gene expression evaluation were identified 85 genes in root tips of two Al-tolerant contrasting maize lines whose expression was altered by Al stress. Although several of the genes identified here were previously described as Al responsive in other works, to most of them this study is the first report about the involvement of these genes with Al stress. The cloning of the ALMT1 homologue in tissue from the root apex of maize shown that maize has a gene encoding a membrane protein that might be involved with organic molecules transport. Although the protein encoded by the maize homologue gene was not associated with malate transport the activity of this protein was stimulated by the presence of Al. Interestingly, the gene expression of the this gene was repressed by Al in the Al-tolerant and Al-sensitive genotype. This result might be an indicative of existence of posttranscriptional regulation. The results accomplished with the experiments described here launched new light into the understanding of the Al-tolerance and Al-toxicity mechanisms in maize roots. Furthermore, the information presented here will contribute to a more accurate selection of genes that will be used to produce transgenic plants better adapted to soils with high Al concentration
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