Identificação de SNPs candidatos relacionados à tolerância ao estresse hídrico em Cana-de-açúcar

Abstract

A cana-de-açúcar é uma das culturas mais importantes do Brasil sob o ponto de vista socioeconômico. O aumento da demanda pelos subprodutos desta cultura, principalmente o açúcar e o etanol, tem atraído a canavicultura para regiões do país que apresentam longos períodos de deficiência hídrica, refletindo em perda de produtividade. Assim, uma das principais estratégias para contornar esse problema é o desenvolvimento de cultivares tolerantes à seca. Entretanto, o alto nível de complexidade genética da cana-de-açúcar é um desafio para a aplicação de ferramentas moleculares no melhoramento dessa cultura. As novas tecnologias de sequenciamento de alto desempenho são valiosas ferramentas para o estudo de sequências genômicas e de transcriptomas, auxiliando na identificação de regiões do genoma que estejam relacionadas com características agronômicas de interesse para o melhoramento. Com isso, o presente estudo teve como objetivo identificar SNPs (polimorfismos de nucleotídeo único) candidatos dentro de genes relacionados com respostas ao estresse hídrico para que possam ser utilizados como marcadores moleculares na obtenção de cultivares de cana-de-açúcar tolerantes ao estresse hídrico. Para isso, utilizamos duas cultivares de cana-de-açúcar contrastantes quanto ao déficit hídrico: a SP81-3250 (tolerante) e a RB85-5453 (sensível). Essas plantas foram submetidas a três potenciais hídricos do solo: sem restrição hídrica, déficit hídrico moderado e severo, aplicados 60 dias após o plantio. Em seguida foram avaliadas em três épocas distintas: aos 30, 60 e 90 dias após aplicação dos tratamentos, sendo um dos primeiros estudos a avaliar os efeitos do déficit hídrico prolongado em cana-de-açúcar. A partir do sequenciamento via RNA-Seq obtivemos um transcriptoma conjunto para as duas cultivares. Os sítios variantes (sobretudo os SNPs) foram detectados com o “software” FreeBayes e os efeitos funcionais preditos foram anotados com o programa SnpEff. Após filtragem dos dados a fim de remover falsos positivos, foram obtidas 5.866 variações exclusivas da cultivar tolerante, 9.797 variações exclusivas da cultivar sensível e 10.349 variações em comum para ambas as cultivares. Alguns dos SNPs exclusivos da cultivar tolerante foram encontrados em genes relacionados com a resposta da planta ao estresse hídrico, como fatores de transcrição ABF, ARF, MYB e “Zinc Finger”, proteínas quinases, proteínas de choque térmico, proteína universal do estresse e enzimas de detoxificação como a Glutationa S-transferase. Por essa razão, acreditamos que polimorfismos específicos dessas regiões de resposta estejam associados com a capacidade das cultivares contrastantes lidarem com o estresse hídrico.

Sugarcane is one of the most important crops in Brazil with regard to the economic aspects. The increasing demand for sugarcane by-products, especially sugar and ethanol, has promoted the sugarcane cultivation in regions with long periods of water deficiency, resulting in loss of productivity. One of the main strategies to overcome this problem is the development of drought-tolerant cultivars. However, sugarcane has a high level of genetic complexity, which is a challenge for applying molecular tools to improve this crop. The new high-performance sequencing technologies are valuable tools for the study of genomic and transcriptome sequences, which allows the identification of regions of the genome related to the improvement of agronomic characteristics. Thus, the present study aimed to identify SNPs (single nucleotide polymorphisms) candidates within genes related to water stress responses, which may be used as molecular markers to obtain sugarcane cultivars that are tolerant to water stress. For this, it was used two contrasting sugarcane cultivars in terms of water deficit: SP81-3250 (tolerant) and RB85-5453 (sensitive). These cultivars were submitted to three soil water potentials: without water restriction, or with moderate and severe water deficit, which were applied 60 days after planting. Next, they were evaluated at 30, 60, and 90 days after the application of treatments. This study was one of the first to assess the effects of prolonged water deficit in sugarcane. RNA-Seq sequencing was used to obtain a joint transcriptome for the two cultivars. Variant sites (especially SNPs) were detected with the FreeBayes software, and the predicted functional effects were noted with the SnpEff software. After filtering the data to remove false positives, it was detected 5,866 exclusive variations of the tolerant cultivar, 9,797 exclusive variations of the sensitive cultivar, and 10,349 variations in common for both cultivars. Some of the SNPs specific to the tolerant cultivar were found in genes related to the plant response to water stress, such as ABF transcription factors, ARF, MYB and Zinc Finger, protein kinases, heat shock proteins, universal stress protein and detoxification enzymes such as glutathione S-transferase. For this reason, we believe that specific polymorphisms in these response regions are associated with the ability of contrasting cultivars to deal with water stress.