Analise filogenetica das enzimas hidroliticas de Xiloglucano no reino Viridiplantae e construção de bibliotecas de cDNA de Jatoba (Hymenaea courbaril)
Luiz Eduardo Vieira Del Bem
DISSERTAÇÃO
Português
(Broch.)
T/UNICAMP D376a
[Phylogenetic analysis of Xyloglucan's hydrolytic enzymes in the Viridiplantae kingdom and construction of cDNA libraries from Jatoba (Hymenaea courbaril)]
Campinas, SP : [s.n.], 2008.
160f. : il.
Orientador: Michel Georges Albert Vincentz
Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia
Resumo: Introdução: Os xiloglucanos são os polímeros de açúcar mais abundantes na hemicelulose da maioria das espécies de plantas terrestres, em especial nas eudicotiledôneas. Possuem papel estrutural na parede celular vegetal, interagindo com os filamentos de celulose, e podem ser utilizados como...
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Resumo: Introdução: Os xiloglucanos são os polímeros de açúcar mais abundantes na hemicelulose da maioria das espécies de plantas terrestres, em especial nas eudicotiledôneas. Possuem papel estrutural na parede celular vegetal, interagindo com os filamentos de celulose, e podem ser utilizados como reserva em sementes de várias espécies de eudicotiledôneas, como o Jatobá (Hymenaea courbaril), onde correspondem a quase 50% do peso seco da semente. Este polímero é formado por uma cadeia central de ß-glucano com ramificações que contêm xilose, galactose e fucose. O mecanismo de degradação deste polímero é realizado por cinco hidrolases: XTH, ß-Galactosidase, ß-Glucosidase,? a-Xilosidase e? a-Fucosidase. Estas enzimas são codificadas por genes que constituem famílias multigênicas nos genomas de plantas, e sua atividade na degradação seletiva de xiloglucano têm papel central na regulação do crescimento e morfogênese da célula vegetal. O Jatobá (Leguminosae) é uma árvore tropical, nativa do Brasil, que vem sendo utilizada como modelo vegetal para estudos de impacto ambiental por efeito estufa e estresses abióticos oriundos do aquecimento global. Foi observado que mudas de Jatobá, crescidas numa atmosfera com 720 PPM de CO2 (dobro da concentração atual), apresentam até 50% de aumento de biomassa aos 100 dias. O entendimento das respostas transcripcionais desta planta, em resposta a estes estresses, pode levar a conclusões à cerca de como as florestas tropicais responderão ao aumento inexorável na concentração de CO2, num quadro de aquecimento global. Resultados: Construímos bibliotecas de cDNA de folhas, caule, cotilédones e raízes de plântulas de 45 dias de Jatobá. Um seqüenciamento amostral dos ESTs levou à obtenção de 103 seqüências, parciais ou completas, de proteínas de Jatobá. São os primeiros dados de ESTs numa árvore tropical brasileira. Análises filogenéticas das enzimas que constituem o mecanismo de degradação de xiloglucano foram conduzidas ao longo de 13 genomas completos e 27 bancos de ESTs de espécies dos mais diversos grupos no reino Viridiplantae. Isso nos permitiu organizar a diversidade destas cinco famílias multigênicas em possíveis grupos de ortólogos (PoGOs). As XTHs foram divididas em seis grupos de genes homólogos e 19 PoGOs. As ß-Galactosidases foram divididas em dois grupos de genes homólogos e 10 PoGOs. As ß-Glucosidases foram divididas em dois grupos de genes homólogos e dois PoGOs. As? a-Xilosidase foram divididas em três PoGOs e as a-Fucosidase em dois PoGOs não relacionados evolutivamente. Conclusões e Perspectivas: As 103 seqüências peptídicas obtidas de Jatobá foram anotadas por comparação e serão disponibilizadas nos bancos de dados internacionais. A perspectiva de seqüenciar mais clones poderá levar à montagem do transcriptoma do Jatobá, algo inédito para uma árvore tropical. Concluímos, com as análises filogenéticas, que as XTHs, que formam um grupo monofilético de genes em Streptophyta, surgiram antes da conquista do ambiente terrestre. Estes genes foram progressivamente amplificados ao longo da evolução das plantas terrestres, o que sugere um ganho progressivo de complexidade, que teve seu auge nas Angiospermas. Apresentamos evidências que podem unir evolutivamente as XTHs exclusivas de plantas a enzimas transglicosiladoras de cadeias de ß -glucano em fungos, o que sugere uma origem comum do processo de transglicosilação de cadeias de ß-glucano como mecanismo de controle do crescimento e formato celular em eucariotos com parede celular. As ß-Galactosidases formam um grupo monofilético em Embryophytas com nove PoGOs, no entanto sua grande diversificação (seis PoGOs) ocorreu apenas em Angiospermas. As ß -Glucosidases formam um grupo monofilético em Embryophytas, seqüências similares em bactérias fotossintetizantes podem sugerir uma origem no ancestral dos cloroplastos. As a -Xilosidase, que são monofiléticas nas Spermatophytas, derivaram das ?a-Glucosidases que se encontram dispersas entre todos os eucariotos, é um caso de neofuncionalização. Duas linhagens distintas evolutivamente de a-Fucosidases foram encontradas, uma delas é monofilética em Embryophytas e a outra pertence a uma grande família multigênica (GDSL-motif) da qual pouco se sabe. Mostramos que o mecanismo completo (cinco hidrolases) de degradação de xiloglucano existia no ancestral comum das Spermatophytas (plantas com semente). Como perspectivas este trabalho permite a racionalização de estudos funcionais destas hidrolases o que, em longo prazo, pode contribuir com processos biotecnológicos que passem pela modificação seletiva da parede celular vegetal.
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Abstract: Introduction: Xyloglucans are the main hemicelulose in most of land plants, especially in eudicots. It is a structural compound of plant cell-wall that interacts with cellulose and can be used as seed's energy storage of many species, like Jatoba (Hymenaea courbaril). Xyloglucan structure...
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Abstract: Introduction: Xyloglucans are the main hemicelulose in most of land plants, especially in eudicots. It is a structural compound of plant cell-wall that interacts with cellulose and can be used as seed's energy storage of many species, like Jatoba (Hymenaea courbaril). Xyloglucan structure is composed of a ß-glucan backbone that it branched with xylose, galactose and fucose. Its degradation machinery is composed by five glycosil hydrolases: XTH, ß-Galactosidase, ß-Glucosidase,?a-Xylosidase and? a- Fucosidase. These enzymes are codified by multigenic families in plant's genomes and it plays a central role in key processes like growth and morphogenesis of plant cells. Jatoba (Leguminosae) is a tropical tree, native of Brazil. It's been used as a model tree in researches of plant's responses to stresses caused by global warming and high atmospheric CO2 concentration. It was observed a 50% increase in biomass of a 100 days Jatoba seedling when grown in a 720 PPM of CO2 atmosphere (two times bigger than today's atmospheric concentration). Understand the transcriptional responses to these stresses can lead to conclusions about how tropical forests will respond to high concentrations of CO2 and global warming. Results: We made cDNA libraries of leaves, stem, cotyledons and roots of 45 days seedlings of Jatoba. A preliminary sequencing of these libraries reveled 103 predict protein sequences (most partial sequences). Phylogenetic analyses of xyloglucan hydrolytic enzymes were conducted using 13 completed genomes and 27 ESTs assemblies, from a wild range of taxonomic groups in the Viridiplantae kingdom. It allowed us to divide XTH's diversity of genes into six homology groups and 19 possible groups of orthologues (PoGOs). ß-Galactosidases were divided into two groups of homologues and 10 PoGOs. ß -Glucosidases were divided into two groups of homologues and two PoGOs. a-Xylosidase were divided into three PoGOs and a-Fucosidase into two PoGOs evolutionarily unrelated. Conclusions and Perspectives: The 103 protein sequences of Jatoba were annotated by comparison to known proteins and will be deposited in international sequences assemblies. As a perspective, the sequencing of Jatoba ESTs will lead to the assembly of its transcriptome, something never done before in a tropical tree. We concluded that XTHs are monophyletic group o genes in Streptophyta, what means they emerged before lands conquest by plants. These genes were progressively amplified in land plants evolution, especially in Angiosperms, what suggests a progressive gain in complexity. We showed evidences of a possible evolutionary relation between plant's XTHs and fungus hydrolases/transglycosylases enzymes. It suggests a eukaryotic ancestral mechanism to control cell expansion and shape based in ß -glucan transglycosylation and its interaction to cellulose (in plants) or chitin (in fungus). The ß -Galactosidases are a monophyletic group in Embryophytas that were divided into nine PoGOs, six PoGOs only appeared in Angiosperms. The ß -Glucosidases belongs to a monophyletic group in Embryophytas that has sequence similarity to bacterial proteins, especially ones from photosynthetic bacteria species. The a-Xylosidases are a PoGO in Spermatophyta that probably emerged from a-Glucosidases presents in all eukaryotes. It's probably a neofunctionalization process. Two evolutionary distinct lineages of a-Fucosidases where found, one monophyletic in Embryophytas and another that belongs to the poorly understood multigenic family "GDSL-motif proteins". We showed that the complete machinery (all the five hydrolases) of Xyloglucan degradation already exists in Spermatophytas common ancestor. As a perspective, we expect to rationalize the functional characterization works among these multigenic families and to contribute in biotechnology processes that pass through cell-wall modification and selective control.
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