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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE BIOCIÊNCIAS DEPARTAMENTO DE BIOLOGIA CELULAR E GENÉTICA GRADUAÇÃO EM CIÊNCIAS BIOLÓGICAS CAMILA RAYANE PEREIRA DA SILVA ANÁLISES IN SILICO DA SEQUÊNCIA SEC14 DE CANA-DE-AÇÚCAR PARA FLORAÇÃO NATAL/RN 2016

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CENTRO DE BIOCIÊNCIAS

DEPARTAMENTO DE BIOLOGIA CELULAR E GENÉTICA

GRADUAÇÃO EM CIÊNCIAS BIOLÓGICAS

CAMILA RAYANE PEREIRA DA SILVA

ANÁLISES IN SILICO DA SEQUÊNCIA SEC14 DE CANA-DE-AÇÚCAR

PARA FLORAÇÃO

NATAL/RN

2016

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CAMILA RAYANE PEREIRA DA SILVA

ANÁLISES IN SILICO DA SEQUÊNCIA SEC14 DE CANA-DE-AÇÚCAR

PARA FLORAÇÃO

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à

Banca Examinadora da Universidade Federal do Rio

Grande do Norte para obtenção do título de bacharel em

Ciências Biológicas, sob a orientação da Prof. Dra. Katia

Castanho Scortecci.

NATAL/RN

2016

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Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Banca Examinadora da Universidade

Federal do Rio Grande do Norte para obtenção do título de bacharel em Ciências Biológicas.

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AGRADECIMENTOS

A Capes, ao CNPq e UFRN pelo auxílio financeiro e todo suporte durante meus anos

de iniciação científica.

A minha preciosa família, sem o amor incondicional de vocês seria difícil conseguir

alcançar qualquer objetivo. Meu agradecimento eterno.

Aos meus amigos queridos que me incentivaram e dividiram aflições durante todo

curso, sem vocês o caminho teria sido bem mais árduo e menos prazeroso.

A todos do meu laboratório que me ajudaram direta ou indiretamente nesse trabalho.

Agradeço pelos bons momentos e os valiosos ensinamentos.

A minha orientadora Profª Dra. Katia Castanho Scortecci por todos os conhecimentos

passados, por toda paciência e companheirismo ao longo do percurso.

Agradeço a Deus acima de tudo, por ter me concedido forças para finalizar esse

trabalho, sem sua graça, eu nada seria.

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“No mesmo instante em que recebemos pedras em nosso caminho, flores estão sendo

plantadas mais longe. Quem desiste não as vê. ”

William Shakespeare

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RESUMO

A floração é considerada um processo chave, o meio pelo qual ocorre a reprodução das plantas.

Apesar de amplamente estudada em modelos vegetais, os mecanismos envolvendo a floração

em cana-de-açúcar ainda não são bem conhecidos. Em estudos anteriores, foi identificada por

homologia a sequência de DNA complementar (cDNA) da proteína SEC14, sendo essa um

potencial repressor do processo de floração. Tal proteína é conhecida por sua atuação no tráfego

de fosfatidilinositol e fosfatidilcolina, além de estar associada à formação de vesículas

secretoras. Visando compreender o papel dessa proteína no processo de floração em cana-de-

açúcar, a sequência da proteína SEC14 de cana-de-açúcar foi utilizada para realizar buscas por

sequências homólogas em outros organismos, bem como para a construção de interatomas.

Também houve a busca de potenciais sítios regulados por microRNAs (miRNAs) e fatores de

transcrição, obtenção do padrão de expressão da SEC14 em tecidos vegetais e outras análises

in silico. Os resultados obtidos mostraram identidades superiores a 85% da proteína SEC14 de

cana-de-açúcar com suas homólogas e uma separação de sequências entre as monocotiledôneas

e eudicotiledôneas nas análises filogenéticas. Os interatomas sugerem uma provável atuação

dessa sequência na biossíntese de fosfatidilcolina. Os dados das análises de miRNAs mostraram

que a sequência pode ter regulação por eles, desempenhando assim um papel regulatório em

gramíneas e participando na formação do meristema axilar e desenvolvimento foliar para A.

thaliana. As análises das regiões promotoras apresentaram uma regulação pelos fitormônios,

pelas proteínas PHYA e PHYB, desenvolvimento do gametófito feminino, parede celular,

órgãos florais e relação com o Ácido abscísico (ABA). Todas essas análises in silico e os

resultados de Reação em Cadeia da Polimerase Quantitativa em Tempo Real (qPCR) reforçam

o potencial papel dessa sequência no processo de floração em plantas de cana-de-açúcar, sendo

assim um alvo para o melhoramento genético.

Palavras-chave: SECRETION14; Saccharum; Fosfatidilcolina; Bibliotecas subtrativas;

Ferramentas de bioinformática.

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ABSTRACT

Flowering is considered a key process for plant reproduction and the seed production (the next

generation). Although this process is well known in plants, it is not in sugarcane. In previous

studies, it was identified a cDNA sequence with homology to SEC14 hence, being a potential

repressor for the flowering process in sugarcane. This protein is known for acting in the traffic

of phosphatidylcholine and phosphatidylinositol, and it is also associated with the secretory

vesicles formation. Then, the aim of the present study was to understand the role of SEC14

sequence in sugarcane flowering. SEC14 protein sequence from sugarcane was used to search

for homologous sequences in other plant organisms, as well as for making an interactome. It

was also made a search for transcription factors and possible microRNAs (miRNAs) regulatory

sites. Furthermore, it was analyzed the expression pattern from SEC14 in plant tissues and other

in silico analysis. The results obtained showed the proteins obtained had more than 85% of

identity between SEC14 from sugarcane and their homologous. Likewise it was observed in

phylogenetic analyses a separation from sequences among the Monocots and Eudicots. The

interactomes suggest a probable role of that sequence in the biosynthesis and transport of

phosphatidylcholine and phosphatidylinositol. The miRNA data has shown that the SEC14

sequence may have regulation by them, which may be playing a regulatory role in grass and it

may be participating in axillary meristem formation as well as in leaf development for A.

thaliana model. The analysis of promoter regions showed a possible regulation by

phytohormones PHYA and PHYB, development of female gametophyte, cell wall, floral organs

and relationship with Abscisic acid (ABA). All these in silico analysis presented here and the

Quantitative Real Time Polymerase Chain Reaction (qPCR) results from a previous work

reinforce the potential role of SEC14 on sugarcane flowering process, therefore, being a target

for genetic improvement.

Key words: SECRETION14; Saccharum; Phosphatidylcholine; Subtractive libraries;

Bioinformatics Tools.

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SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO 8

1.1 CANA-DE-AÇÚCAR 8

1.2 FLORAÇÃO 10

1.3 BIBLIOTECA SUBTRATIVA 16

1.3.1 SEC14 16

2 OBJETIVO GERAL 17

2.1 OBETIVOS ESPECÍFICOS 17

3 METODOLOGIA 18

3.1 BUSCA DA SEQUÊNCIA NOS BANCOS DE DADOS 18

3.2 CONSTRUÇÃO DE INTERATOMAS 18

3.3 ALINHAMENTO E ÁRVORE FILOGENÉTICA 19

3.4 ANÁLISE DE miRNAs E PADRÃO DE EXPRESSÃO 19

3.5 CONSTRUÇÃO DOS PRIMERS, PCR E CLONAGEM 20

3.6 LIGAÇÃO E TRANSFORMAÇÃO DE CÉLULAS ELETROCOMPETENTES

(DH5α) 20

3.7 EXTRAÇÃO DO DNA PLASMIDIAL EM PEQUENA ESCALA

(MINIPREPARAÇÃO DE PLASMÍDEOS) 21

3.8 DIGESTÃO DE RESTRIÇÃO 22

4 RESULTADOS 22

4.1 ANÁLISES DAS SEQUÊNCIAS HOMÓLOGAS A SEC14 22

4.2 RELAÇÕES FILOGENÉTICAS 24

4.3 INTERATOMAS 25

4.4 FATORES DE TRANSCRIÇÃO, miRNAs E PADRÃO DE EXPRESSÃO 27

4.5 PCR, PRIMERS E PLASMÍDEO 31

5 DISCUSSÃO 32

6 CONCLUSÕES E PERSPECTIVAS 36

7 REFERÊNCIAS 38

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1 INTRODUÇÃO

1.1 CANA-DE-AÇÚCAR

O Brasil atualmente é o maior produtor de cana-de-açúcar do mundo. Produzindo mais

de 632 milhões de toneladas por ano (safra 2014/2015), dessa forma, liderando o ranking de

maior produtor de açúcar do planeta, cerca de 20% da produção global e 40% da exportação

mundial, de acordo com a União da Indústria de Cana-de-açúcar (UNICA, 2016). A produção

brasileira consegue superar em quase o dobro a Índia, que é o segundo maior produtor, com

352 milhões de toneladas por metro (STATISTA, 2016). A cana-de-açúcar é de extrema

importância para o país, por ser um dos principais constituintes de fonte de renda no Brasil

desde o período colonial, onde a produção do açúcar gerou riquezas para manter a colônia e

contribuiu para o desenvolvimento industrial (MACHADO, 2003). Primeiramente, os engenhos

eram centralizados na Região Nordeste do país. Posteriormente, foram distribuídos pelo

restante do território brasileiro, a partir de então, a produção do açúcar se estabeleceu por todo

o país possibilitando essa nova fase industrial não só para a importação, mas também, para a

exportação. Dessa forma, angariando valores e prestígio a nível global. O impacto gerado pela

produção de cana-de-açúcar moldou a sociedade brasileira desde o período Colonial, segundo,

Mario Lacerda de Melo:

“Dificilmente se encontrarão formas de utilização dos recursos dos

solos que se possam rivalizar com a agroindústria canavieira quanto a

capacidade de condicionar um tipo de sociedade e economia, de modelar um

tipo de paisagem e de estruturar um tipo de arranjo econômico do espaço. No

Nordeste do Brasil temos uma demonstração disso. A agroindústria

canavieira, gerando a chamada civilização do açúcar, imprimiu características

peculiares às áreas onde se implantou. E o fez de um modo definitivo ou pelo

menos, de um modo dificilmente reversível. ” (MELO, 1975. p. 19).

Do ponto de vista histórico, a cana-de-açúcar foi introduzida incialmente no estado de

Pernambuco e se espalhou por todo litoral brasileiro de forma tão eficiente que levou o país a

liderar a produção mundial de açúcar em menos de 20 anos após o estabelecimento do comércio

açucareiro. Para a economia, durante os séculos XVI e XVII, o açúcar foi essencial para mover

a colônia. A exportação do produto, bem como, a construção de meios para transportá-lo dentro

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do território nacional, permitiu a expansão do comércio e maiores possibilidades para

introdução de novas tecnologias de cultivo. Até os dias atuais, apesar do desenvolvimento

maciço em diversas fontes de renda, a cana-de-açúcar ainda é uma matriz energética

significativa para o comércio brasileiro, contando com relevantes pesquisas biotecnológicas

para potencializar a produção e minimizar prejuízos (VIEIRA et al., 2007). De acordo com o

Centro de Tecnologia Canavieira - CTC, até 2018, as pesquisas para melhoramento da cana-

de-açúcar devem fornecer novos cultivares mais resistentes às pragas, tolerantes a estresses

abióticos como o hídrico e o salino, bem como, novos cultivares contendo maiores teores de

açúcar. Apesar dessas perspectivas, o processo para melhoramento dos cultivares vem

evoluindo um pouco mais lentamente.

Figura 1 - Mapa da distribuição da produção de cana-de-açúcar no Brasil em 2011. Destacando em tons de verde

escuro os estados brasileiros que apresentam maior produção de cana-de-açúcar em milhares de reais. Ficando

claro os destaques para os polos Sudeste-Centro Sul e Nordeste. Fonte: IEA SP <http://ciagri.iea.sp.gov.br/>.

O cultivo de cana-de-açúcar tem destaque em dois locais no país, a Região Sudeste-

Centro Sul e Norte-Nordeste, como apresentado na Figura 1. Notoriamente a Região Sudeste-

Centro Sul apresenta maior produtividade devido as condições climáticas e solo serem mais

favoráveis ao desenvolvimento do vegetal, contudo a Região Nordeste já se estabeleceu como

polo produtor e contribui de forma efetiva na produção nacional. Tendo em vista que o Brasil

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apresenta condições climáticas bem distintas entre suas regiões, se faz necessário o

melhoramento de cultivares para que se adequem e produzam (em quantidade de plantas e

açúcar) o máximo possível onde estão locadas.

A cana-de-açúcar transfundiu nessas regiões de forma efetiva, ainda que as mesmas não

apresentem temperatura ou disponibilidade de água em condições adequadas para a produção.

No polo Sudeste-Centro Sul, os agricultores passaram a utilizar cultivares resistentes às

condições acima citadas, como uma alternativa para maximizar o seu cultivo. Fazendo

investimentos expressivos em pesquisa para o desenvolvimento de novas cultivares melhor

adaptadas àquelas condições (WACLAWOVSKY et al., 2010; SCORTECCI et al., 2012).

Atualmente, a Região Nordeste apresenta a produção em menor proporção do que a Região

Sudeste devido, principalmente, as condições de solo, fotoperíodos de doze horas, chuvas

escassas e cultivares pouco adaptados a essas condições. Os fatores edafoclimáticos agem como

estressores atuando como elementos determinantes sob o tempo de vida do vegetal. Tal

interferência afeta negativamente o desenvolvimento e florescimento da planta remodelando as

respostas metabólicas. Dessa forma, as plantas em resposta ao estresse abiótico, ativam os seus

mecanismos de indução para o florescimento precoce, como medida de sobrevivência às

intempéries. Assim, como efeito do florescimento, ocorre a isoporização, processo

caracterizado pelo deslocamento da sacarose do colmo para o ápice da planta em detrimento da

formação dos órgãos florais (ARALDI et al., 2010; VIEIRA et al., 2007), esse processo reduz

drasticamente o conteúdo de açúcar armazenado no colmo (principal parte usada para retirar o

açúcar), promovendo o secamento interno do colmo.

Nesse contexto, considerando a importância por melhores índices de produtividade,

investindo em novos cultivares mais resistentes aos fatores edafoclimáticos característicos da

Região Nordeste, propomos uma alternativa biotecnológica com base em banco de dados

genômicos que corroborem para maior conhecimento de interação gênica, a fim de obter como

produto final plantas com maior potencial produtivo.

1.2 FLORAÇÃO

A cana-de-açúcar pertencente à família das Poaceae e do gênero Saccharum. A

complexidade em seu genoma surgiu através de várias recombinações gênicas entre as seis

espécies incluídas tradicionalmente ao gênero Saccharum: S. officinarum (x= 10, 2n= 80), S.

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spontaneum (x= 8, 2n= 40-128), S. robustum (x= 10, 2n= 60, 80), S. edule (2n= 60-80), S.

barberi (2n= 111-120) e S. sinense (2n= 81-124) (TEW et al., 2008), as duas primeiras seriam

as representantes principais do gênero (IRVINE, 1999). As espécies atualmente cultivadas são

híbridas derivadas essencialmente da S. officinarum e S. spontaneum (DILLON et al., 2007;

D'HONT et al., 1996), sendo que essas provavelmente correspondem a cerca de 70%

proveniente da primeira, 20% da segunda e 10% de recombinações (D'HONT et al., 1996),

conferindo, respectivamente, alto teor de sacarose e resistência à estresses abióticos e bióticos

(GRIVET et al., 2001). O resultado desses cruzamentos foi a obtenção de plantas que

demonstram um alto nível de ploidia (cromossomos repetidos) e de variantes de genes elevados.

Essa poliploidia da planta em questão, assim como de outras, é resultado da evolução e

domesticação ao longo de milhares de anos em busca de maior produtividade e adaptações a

diferentes condições de plantio. Em contrapartida, a ploidia dificulta a análise genética que

corroboram para construir mapas genéticos moleculares que possibilitem a localização exata do

gene de interesse nos cromossomos. Em razão desse obstáculo, não é possível compreender de

maneira plena o funcionamento das variantes dos genes presentes nessa espécie

(WACLAWOVSKY et al., 2010; SETTA et al., 2014).

Um dos importantes desafios para realizar o melhoramento genético em cana-de-açúcar,

por exemplo, é identificar as variantes do gene responsável pela floração, no qual, designa uma

característica de interesse agrícola. Nesse seguimento, a floração é um processo essencial nas

angiospermas, por meio do qual ocorre a propagação das espécies. Esse evento é controlado

por diversos sinais que induzem a modificação de meristemas apicais vegetativos em órgãos

reprodutivos (MEDEIROS et al., 2016). A transição para floração caracteriza-se por ser um

processo crítico, uma vez que, a percepção do ambiente e de fatores endógenos, ou seja, a

percepção do estímulo, atrelado a transdução do sinal, indicará à planta o momento mais

propício para florar (resposta fisiológica) e obter o sucesso reprodutivo (WILS et al., 2016;

ARALDI et al., 2010).

A floração no modelo vegetal Arabidopsis thaliana (planta dicotiledônea) é bastante

estudada e com diversos genes bem caracterizados que estão envolvidos em alguma das vias de

florescimento (Figura 2). Geralmente alguns deles atuam em vários tecidos durante a indução

floral (LIU et al., 2009). As seis vias melhor caracterizadas para o processo de floração são: a

do fotoperíodo e vernalização, controlando o florescimento em resposta à mudanças estacionais

de duração do dia e temperatura, respectivamente; a via referente a temperatura ambiental, ou

seja, o aumento de temperatura média diária; a via influenciada pela idade da planta que levará

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em conta regulações internas por fatores de transcrição e outros reguladores; a via da giberelina,

um conhecido hormônio regulador do crescimento que promove a floração no modelo

Arabidopsis e, a via de respostas dos meristemas, que durante o processo de indução floral se

transformam de vegetativos para meristemas de inflorescência para formar as flores (SONG et

al., 2013; FORNARA, 2010; JAEGER et al., 2006; HENDERSON & DEAN, 2004).

Na Figura 2 abaixo, notam-se os genes denominados como FMI que correspondem aos

genes para a identidade do meristema floral. Os genes LFY (LEAFY, gene de identificação do

meristema floral), SOC1 (Supressor da superexpressão do CONSTANS 1, promove floração),

FT e FD (interagem para induzir a floração), FLC (FLOWERING LOCUS C, atua como

repressor da floração) e GA (Giberelina, regulador do crescimento que promove floração)

(FORNARA, 2010).

Regulação gênica nas vias da floração em Arabidopsis

As plantas podem ser divididas de acordo com o fotoperíodo em três condições: plantas

de dia longo (fotoperíodos superiores a 12 horas), de dia curto (fotoperíodos inferiores a 12

Figura 2 - Genes presentes na via de floração no modelo vegetal A. thaliana. Interações positivas são

representadas por flechas e interações negativas são representadas por linhas com finalização em T. Nesta figura

são apresentados alguns dos genes que compõe as vias de giberelinas, via autônoma, via de vernalização, via do

fotoperíodo, via de integração e os genes que compõe a identidade meristemática. Esquema adaptado de Komeda

(2004).

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horas) ou de dia neutro (quando não são influenciadas pelo fotoperíodo) (SONG et al., 2015).

O arroz (planta modelo de monocotiledônea) por exemplo, é considerado uma planta de dia

curto, ou seja, precisa de noites longas acima do fotoperíodo crítico para florescer. Entretanto,

já existem cultivares de arroz selecionados artificialmente que obtiveram sucesso no processo

de floração em condições de dias longos (SHRESTHA, 2014). Por ser uma planta modelo para

pesquisas na área de genética em monocotiledôneas, diversos genes que atuam controlando o

processo de florescimento foram identificados, por exemplo, o HEADING DATE 1 (Hd1) regula

positivamente o gene HEADING DATE 3a (Hd3a), gene esse ortólogo ao gene FT de

Arabidopsis thaliana que é o principal ativador floral em dia curto (HOMIYA et al., 2008). Em

síntese, os genes Hd3 e Hd3a exerceriam em arroz (dia curto) o que os genes CO e FT exercem

na planta modelo Arabidopsis thaliana (dia longo) (DU et al., 2016).

Embora haja uma série de diferenças entre as plantas monocotiledôneas e

eudicotiledôneas, não podemos deixar de ressaltar que existe uma alta conservação em seus

genomas, por exemplo, como verificado num trabalho de análise comparativa entre os genomas

de cana-de-açúcar, arroz e Arabidopsis thaliana (VETTORE et al., 2003). Na Figura 3 podemos

observar que as estruturas florais entre esses grupos apresentam certa similaridade quanto à

formação de pétala, estames e carpelo (GREYSON, 1994).

Órgãos florais de monocotiledôneas e eudicotiledônea

O florescimento é um processo minuciosamente regulado nas plantas. Entretanto, em

plantas de cana-de-açúcar esse processo pode ser negativo para a produção de álcool e açúcar.

Como especificado anteriormente, há o deslocamento do açúcar para o ápice (isoporização),

suprindo os gastos energéticos provenientes da formação das estruturas reprodutivas (ARALDI

Figura 3 - (a) Flor característica de monocotiledônea e (b) flor característica de eudicotiledônea.

Similaridades morfológicas na estruturação dos órgãos florais (Figura adaptada de Furtado, 2007).

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et al., 2010). Desta maneira, a floração em cana-de-açúcar é controlada por uma variedade de

aspectos endógenos e exógenos, dentre eles destacam-se, o fotoperíodo, a temperatura, a

umidade e a incidência solar como controladores desse evento vegetal (CASTRO, 2001), além

de hormônios e complexas sinalizações envolvendo florígeno e fatores transcricionais (Figura

4a). O desenvolvimento floral inicia com o meristema vegetativo maduro que origina as novas

folhas, nós e brotos (Figura 4b). Esse processo segue para o início da formação da inflorescência

com o meristema apical crescendo em largura e altura. Durante o desenvolvimento desse

meristema ocorrem duas transições essenciais, sendo a primeira delas a conversão do meristema

vegetativo para meristema de inflorescência e a segunda, a diferenciação celular para formação

dos órgãos florais das flores que constituem a inflorescência. Assim, os primeiros ramos

começam a aparecer, depois os ramos secundários, sendo uma característica da inflorescência

de cana-de-açúcar os ramos secundários múltiplos partindo da base de ramos primários (Figura

4c-d). Aparecem os primórdios da espícula e ocorre a transição desse meristema para o floral.

Inicia-se o desenvolvimento dos órgãos florais (Figura 4e-f) (JULIEN, 1971; MOORE, 1971;

MCSTEEN et al., 2000; GLASSOP, 2014).

O estudo de genes que podem estar envolvidos nas diversas etapas desse complexo

processo de floração vem trazendo significativas informações acerca do desenvolvimento do

meristema e dos órgãos florais nos diferentes modelos vegetais (WILS et al., 2016; IRISH,

2010). Os estudos moleculares na genética de plantas vieram para explorar todo potencial que

um cultivar pode oferecer. A identificação de genes que controlam respostas fisiológicas às

condições adversas do ambiente é essencial, especialmente quando estão envolvidos em

processos tão vitais para as espécies como é o caso da floração. Como explicitado

anteriormente, pouco se compreende molecularmente sobre o processo de florescimento em

cana-de-açúcar, ademais, os processos de florescimento precoce e isoporização apresentam

impactos negativos para a indústria sucroalcooleira (ARALDI et al., 2010). Tendo isso em vista,

a identificação e caracterização de genes que podem atuar como reguladores no processo de

floração são de grande importância biotecnológica e agronômica, sendo genes alvos potenciais

para construção de marcadores a serem utilizados no melhoramento gênico.

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Desenvolvimento dos órgãos florais em cana-de-açúcar

Figura 4 - Estágios do desenvolvimento floral em cana-de-açúcar e os respectivos genes envolvidos em cada etapa;

(a) Meristema vegetativo maduro; (b) Meristema em transição para inflorescência; (c) Ramos meristemáticos

primários; (d) Formação de ramos secundários; (e) Meristema da espícula; (f) Inflorescência madura (Glassop,

2014).

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1.3 BIBLIOTECA SUBTRATIVA

No intuito de identificar genes que possam estar relacionados ao processo de

florescimento, foram construídas anteriormente no Laboratório de Transformação de Plantas e

Análises em Microscopia quatro bibliotecas subtrativas com cDNAs provenientes de cultivares

de cana-de-açúcar contrastantes para este processo. Dentre os cDNAs identificados nessas

bibliotecas subtrativas, encontra-se um cDNA que apresentou homologia a sequência

SECRETION 14 ou PHOSPHATIDYLINOSITOL-PHOSPHATIDYLCHOLINE TRANSFER

PROTEIN (SEC14) (FURTADO, 2007; MEDEIROS et al., 2016).

1.3.1 SEC14

A proteína SEC14 é uma proteína eucariótica que inicialmente foi identificada em

Saccharomyces cerevisiae (NOVICK et al., 1980; AITKEN et al., 1990; BANKAITIS et al.,

1990) e atua, principalmente, no tráfego entre membranas, na formação de vesículas secretoras

e no transporte de lipídeos (BANKAITIS et al., 1989). Essa proteína e suas homólogas parecem

estar associadas a diversas atividades, como por exemplo, na resposta ao estresse osmótico em

O. sativa (DOVE et al., 1997), no aumento da estabilidade de membrana, na tolerância ao

estresse de nitrogênio em plantas de sorgo (GELLI et al., 2014) e na sua alta expressividade no

período de desenvolvimento da flor em A. thaliana (PETERMAN et al., 2004).

As proteínas transportadoras de fosfatidilinositol e fosfatidilcolina, conhecidas como

proteínas PITPs, exercem o papel de transferir esses monômeros através da bicamada da

membrana. Além disso, as moléculas de fosfatidilinositol apresentam funções intrínsecas

relacionadas com sinalização, bem como, podem atuar como potenciais precursores de

mensageiros secundários (TRIPATHI et al., 2014). A proteína SEC14, por sua vez, é proposta

como sendo uma das mais importantes proteínas PITP em levedura e tem sua função mediada

pela ligação com lipídeos secundários, por exemplo a fosfatidilcolina (SCHAAF et al., 2007).

Proteínas SEC14-like têm sido associadas com o processo de floração. UPADHYAYA

et al. (2015) propõem que o gene SEC14-like 3 atue como um dos 8 potenciais genes candidatos

para a regulação do florescimento, junto os genes clássicos FLOWERING LOCUS D (FLD) e

GIGANTEA (GI). A fosfatidilcolina (1-palmitoil-2-oleil fosfatidilcolina) está relacionada com

a proteína SEC14, uma vez que essa proteína faz o transporte desse fosfolipídio, também

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interage in vitro ligando-se à proteína FT (ou florígeno, como é conhecido). Sendo assim, foi

observado que quando se reduz os níveis de fosfatidilcolina o processo de floração atrasa,

inferindo-se que os níveis desse fosfolipídio podem ser correlacionados com a regulação do

tempo de florescimento (NAKAMURA et al., 2014). É importante ressaltar que os dados

obtidos pelo nosso grupo de pesquisa mostraram altos níveis de expressão desta sequência nos

meristemas apicais de cana-de-açúcar no cultivar com florescimento tardio sugerindo assim

uma potencial função de inibidor à floração (MEDEIROS et al., 2016).

Desta forma, a caracterização de genes que são fortes candidatos a participarem da

floração, seja inibindo ou ativando, vão permitir que possamos encontrar mecanismos que

contornem processos como o de isoporização, ou retarde o processo de floração em condições

de campo de cultivo para produção, permitindo assim obter novas cultivares (por melhoramento

clássico ou transgenia) mais rentáveis para a indústria, minimizando assim as perdas na

produção. Tendo em vista que a sequência de cDNA SEC14 estava expressa nas bibliotecas de

florescimento tardio (MEDEIROS et al., 2016), esta sequência foi escolhida como alvo para

futuras pesquisas. Assim, esse estudo visou inicialmente reunir um embasamento in silico para

futuros trabalhos in vivo com esta sequência que apresenta grande potencial biotecnológico.

2 OBJETIVO GERAL

Entender o papel da proteína SEC 14 em cana-de-açúcar.

2.1 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Analisar in silico a interação proteína-proteína da SEC14 em bancos de dados de plantas

modelo;

Analisar in silico perfil de expressão, possíveis reguladores e promotores para SEC14;

Construir in silico relações filogenéticas para SEC14 em cana-de-açúcar e em outros

organismos;

Amplificação da sequência de SEC14 para clonagem em plasmídeo.

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3 METODOLOGIA

3.1 BUSCA DA SEQUÊNCIA NOS BANCOS DE DADOS

As análises in silico foram realizadas com sequências que apresentaram valores de

identidade maiores que 85% com a sequência SEC14 de cana-de-açúcar, estas correspondem

aos organismos seguintes, Arabidopsis thaliana, Oryza sativa, Zea Mays, Sorghum bicolor e

Brachypodium distachyon, tendo sido obtidas através do banco de dados The National Center

for Biotechnology Information (NCBI: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/) por meio da ferramenta

Blastx (ALTSCHUL et al., 1997).

Os domínios funcionais foram vistos utilizando a ferramenta para domínio conservado

do NCBI (CDD), também se utilizou o ExPASy Translate Tool (http://www.expasy.org/) para

obter sequência proteica, além do ORF Finder do NCBI para busca de Open Reading Frame

(ORF). Outros bancos de dados foram utilizados na busca de sequências, como o TAIR

(https://www.arabidopsis.org/), Phytozome (https://phytozome.jgi.doe.gov/pz/portal.html) e

PDB (http://www.rcsb.org/pdb/home/home.do). Com o intuito de verificar a provável

localização subcelular da proteína, submetemos a maior OFR da sequência SEC14 ao WoLF

PSORT Server (http://www.genscript.com/tools/wolf-psort) (HORTON et al., 2007).

3.2 CONSTRUÇÃO DE INTERATOMAS

Para visualizar as interações entre a SEC14 e outras proteínas, bem como, sua co-

expressão, conservação entre grupos diversos e domínios proteicos compartilhados, utilizou-se

os bancos de dados STRING 10 (http://string-db.org/) (FRANCESCHINI et al., 2013) e

GeneMANIA (http://www.genemania.org/) (WARDE-FARLEY et al., 2010; MONTOJO et

al., 2014). Analisou-se as proteínas que interagem com a SEC14 de modo a observar as

possíveis funções, bem como, vias bioquímicas as quais a sequência estudada estaria atuando,

para desse modo poder inferir a ação da proteína SEC14 in vivo.

O banco de dados STRING10 foi utilizado para buscar a sequência de aminoácidos

contendo a maior ORF da sequência SEC14 selecionando do organismo A. thaliana como

modelo. Assim a sequência foi escolhida pelo melhor bitscore e e-value sugerido pelo site,

usando confiança média (0.400) e alta (0.700) no score de interação. No banco de dados do

GeneMANIA, a busca foi feita também no modelo A. thaliana, buscando pelo ID do gene. A

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ponderação da rede foi selecionada automaticamente e a rede foi estabelecida com os

parâmetros de Interações físicas, Predições, Co-Expressão, Interações genéticas, Domínios

proteicos compartilhados, Co-localização e Função (transporte de lipídeos).

3.3 ALINHAMENTO E ÁRVORE FILOGENÉTICA

A partir das sequências dos organismos com maior identidade obtidas no banco de dados

Phytozome utilizando o Blastp, fez-se o alinhamento utilizando o algoritmo Clustal W

disponível no Software MEGA 7.0 (KUMAR et al., 2016). Os dados foram salvos em formato

“.meg” para gerar a árvore filogenética seguindo, os seguintes parâmetros sugeridos pelo

programa: história evolutiva inferida usando o método de Neighbor-Joining (SAITOU & NEI,

1987) no modelo JTT, com distribuição Gamma (YANG, 1994) e bootstrap (FELSENSTEIN,

1985) com 1000 replicatas. Foram analisadas 9 sequências de aminoácidos. As posições foram

delimitadas pelo cutoff de 95%, ou seja, menos de 5% dos gaps de alinhamento, dados ambíguos

ou perdidos, foram inclusos. Tendo sido os dados tratados com Pairwise deletion e bootstrap

maior que 70%.

3.4 ANÁLISE DE miRNAs E PADRÃO DE EXPRESSÃO

Através do banco de dados PlantPAN (http://plantpan.mbc.nctu.edu.tw/) pode-se

analisar a região promotora da sequência nucleotídica que foi introduzida em formato “.fasta”,

selecionando o organismo Arabidopsis thaliana, milho e arroz para análise dos miRNA. Assim,

possibilitando a observação de sítios alvos para miRNAs e quais seus possíveis mecanismos

regulatórios.

O padrão de expressão foi outro aspecto analisado, para isso, utilizou-se o The Bio-

Analytic Resource for Plant Biology (BAR: http://bar.utoronto.ca/) (AUSTIN et al., 2016) com

sequências homólogas a SEC14 para A. thaliana e O. sativa. Para observar a expressividade, as

ferramentas Arabidopsis Interactions Viewer e Rice Interactions Viewer foram usadas, com a

opção e-FP (eletronic flourescent pictographic) (WINTER et al., 2007) para obter a

representatividade a expressão espaço-temporal.

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3.5 CONSTRUÇÃO DOS PRIMERS, PCR E CLONAGEM

O fluxograma abaixo (Figura 5) descreve de forma resumida o processo de construção

dos primers, PCR e clonagem. Vale salientar que o vetor escolhido foi o pGEM T- Easy da

PROMEGA por ser o mais conveniente para clonagem de produtos de PCR.

Fluxograma das etapas de construção dos primers, PCR e clonagem

Figura 5 - Etapas do processo de desenho de primers, PCR e clonagem de DNA plasmidial. Fonte: Autoria própria.

3.6 LIGAÇÃO E TRANSFORMAÇÃO DE CÉLULAS

ELETROCOMPETENTES (DH5α)

A clonagem das construções foi feita utilizando 50 ng de DNA plasmidial, 7 pmol de

cada primer e 2,5 U de taq DNA polimerase (Invitrogen). Esse material foi amplificado

utilizando o termociclador de PCR (Eppendorf - Mastercycler Personal) com o ciclo um a 94ºC

por 2 minutos, ciclo dois a 94ºC por 45 segundos, ciclo 3 a 55ºC por 45 segundos, ciclo quatro

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a 72ºC por 5 minutos, repetição dos ciclos 2 ao 4 por 35 vezes, seguido pelo ciclo 5 a 72ºC por

10 minutos e ciclo seis a 4ºC até término do processo. Em seguida esse material foi verificado

em gel de agarose 1 %. Com este material foi realizado a etapa de ligação do DNA amplificado

ao vetor pGEM-T easy (Promega). Para isto, foi adicionando 12,5 ng/μL do plasmídeo, 50 ng

das amostras de PCR (1 vetor : 4 partes inserto), 1X de tampão 10X T4 DNA ligase e 400

unidades/μL da enzima T4 DNA ligase (Fermentas) no volume final de 20 μL. Após adição,

incubou-se o preparado a 16 °C durante 12 horas.

Passado o tempo de duração da ligação, o produto foi utilizado para transformação em

bactérias competentes DH5α (Invitrogen Cat. No. 18265-017) através de choque térmico

conforme protocolo indicado pelo fabricante. Incubou-se as células transformadas a 37 ºC e 180

rpm por 1 hora em incubadora shaker (Tecnal – TE 421). Em seguida, as células foram

plaqueadas em placas de Petri de 15 cm de diâmetro, contendo meio Luria-Bertani (LB) sólido

acrescido do antibiótico específico de seleção 100 μg/mL de ampicilina e 40 μL de solução de

X-gal (40 μg/mL). As placas foram incubadas em estufa para cultura bacteriológica a 37 °C

durante 16 horas e, posteriormente, mantidas a 4 ºC até a extração de DNA plasmidial.

3.7 EXTRAÇÃO DO DNA PLASMIDIAL EM PEQUENA ESCALA

(MINIPREPARAÇÃO DE PLASMÍDEOS)

Para se extrair o DNA plasmidial utilizou-se o protocolo convencional de lise alcalina

(SAMBROOK e RUSSEL, 2001) e análise dos potenciais clones positivos. Três soluções foram

usadas nesse protocolo: a solução I é composta por hidroximetilaminometano-ácido clorídrico

(Tris-HCl) 50 mM em pH 8,0, EDTA 10mM em pH 8,0 e RNAse 10 µg/mL; a solução II é

composta por hidróxido de sódio (NaOH) 200 mM e SDS 1%; a solução III é composta por

acetato de potássio (CH3CO2K) 5 M em pH 5,5. Os seguintes procedimentos foram realizados:

uma colônia de bactérias foi inoculada em tubo falcon de 15 mL contendo 5 mL de meio LB

líquido com antibiótico correspondente e incubada por 16 horas sob agitação a 37 ºC em

incubadora (Tecnal – TE 421). O conteúdo foi transferido para microtubos de 1,5 mL e

centrifugados (centrífuga MIKRO 220/220R Hettich) a 14.000 rpm por 5 minutos em

temperatura ambiente. O sobrenadante foi descartado e essa etapa foi repetida até que todo o

volume do inóculo fosse centrifugado. As células que se sedimentaram no tubo (pellet) foram

ressuspendidas em 300 µL da solução I em agitador tipo vortex (AP59 - Phoenix Luferco). Em

seguida foi adicionado 300 µL da solução II e os tubos foram incubados por 5 minutos em

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temperatura ambiente. Após isso, foi adicionado 300 µL da solução III, feita agitação manual

por inversão e mantido no gelo por 5 minutos, em seguida os tubos foram centrifugados

(centrífuga MIKRO 220/220R Hettich) por 15 minutos, 14.000 rpm a 4 ºC. O sobrenadante foi

transferido para outro microtubo, foi adicionado 400 µL de isopropanol, passados 5 minutos e

centrifugado durante 10 minutos, 14.000 rpm a temperatura ambiente (centrífuga MIKRO

220/220R Hettich). O precipitado foi lavado com 300 µL de etanol 70% por 5 minutos,

centrifugou-se (centrífuga MIKRO 220/220R Hettich) por 5 min em 14.000 rpm a temperatura

ambiente, em seguida colocado para secar a temperatura ambiente e, após seco, foi

ressuspendido em 50 µL de água destilada estéril.

3.8 DIGESTÃO DE RESTRIÇÃO

Com o intuito de confirmar se houve a ligação correta do inserto no plasmídeo, foi

realizado uma reação de PCR com os potenciais plasmídeos contendo o inserto. Para isso, foi

utilizado aproximadamente 100-300 ng de DNA plasmidial, 7 pmol de cada primer e 2,5 U de

taq DNA polimerase (Invitrogen). Esse material foi amplificado utilizando o termociclador de

PCR (Eppendorf - Mastercycler Personal) com o ciclo um a 94ºC por 2 minutos, ciclo dois a

94ºC por 45 segundos, ciclo 3 a 55ºC por 45 segundos, ciclo quatro a 72ºC por 5 minutos,

repetição dos ciclos 2 ao 4 por 35 vezes, seguido pelo ciclo 5 a 72ºC por 10 minutos e ciclo seis

a 4ºC até término do processo. O produto da PCR foi separado em gel de agarose 0,7%.

4 RESULTADOS

4.1 ANÁLISES DAS SEQUÊNCIAS HOMÓLOGAS A SEC14

A sequência de SEC14 de cana-de-açúcar utilizada como alvo deste trabalho foi

encontrada em um trabalho anterior em nosso grupo de pesquisa de prospecção de sequências

associadas ao processo de floração utilizando bibliotecas subtrativas de ápices meristemáticos

(FURTADO, 2007; MEDEIROS et al., 2016). Foi observado nessas bibliotecas subtrativas que

a sequência SEC14 se encontrou representada 35 vezes nas bibliotecas associadas aos cultivares

com florescimento tardio, sugerindo assim um potencial papel como inibidor do processo de

florescimento em cana-de-açúcar (MEDEIROS et al., 2016).

A partir da sequência de cDNA SEC14 (740 nucleotídeos e maior ORF com 179

aminoácidos) buscamos sequências homólogas que apresentavam alta identidade entre os

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organismos A. thaliana, O. sativa, Z. mays, S. bicolor e B. distachyon. As sequências homólogas

utilizadas nesse trabalho apresentaram identidade em média superior a 85% (melhor visualizado

na Tabela 1) e grandes domínios conservados.

Tabela 1 – Valores de identidade, cobertura e tamanho da sequência de aminoácidos

(aa) de cada organismo

Organismo Gene ID Identidade Tamanho da

sequência

Cobertura da

sequência

S. bicolor KXG35232.1 98% 317 aa 53%

Z. mays NP_001136689.1 97% 336 aa 57%

B. distachyon XP_003576972.1 87% 333 aa 57%

O. sativa XP_015612037.1 86% 335 aa 55%

A. thaliana NP_001077724.1 79% 298 aa 59%

A partir dessa identidade, buscamos ver se a potencial proteína SEC14 de cana-de-açúcar

poderia ter algum direcionamento para membrana de alguma organela celular. Para isso,

utilizamos o programa PSORT que permite inferir este direcionamento. Os dados obtidos

revelaram que a previsão de localização da proteína foram vesículas do sistema secretório. Esse

resultado corrobora com o esperado, visto que a proteína auxilia na formação de vesículas

secretoras e transporte de lipídeos através da membrana. Os resultados seguem explicitados na

Tabela 2. Salientando que apesar de não haver um direcionamento em particular para uma

organela em específico, os valores normalizados apontam maiores presenças no cloroplasto

e/ou citoplasma.

Tabela 2 – Possível direcionamento subcelular da proteína SEC14.

Direcionamento

Porcentagem (%)

Vesículas do sistema secretório 48

Membrana plasmática 36

Citoesqueleto 16

Valor normalizado de

ocorrência

Organelas

Cloroplasto 4

Citoplasma 4

Núcleo 2

Complexo de Golgi 2

Retículo Endoplasmático 1

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4.2 RELAÇÕES FILOGENÉTICAS

Os dados obtidos mostram uma conservação dessas sequências, entretanto, em relação

a localização de expressão foi observado uma variação quando comparado ao modelo arroz e

Arabidopsis. Com isso, um dendograma foi gerado com o intuito de traçar essa possível relação

filogenética da proteína nos organismos que tiveram maior identidade com a sequência

homóloga a SEC14 de cana-de-açúcar, bem como, com organismos modelos de outros grupos

mais distantes para obter uma árvore mais completa. Segue abaixo a Figura 6 gerada pelo

MEGA 7 com a árvore gerada através do método de Neihbor-Joining como supracitado no item

3.3 da metodologia.

Figura 6 – Análise filogenética molecular das sequências SEC14 (destacada em rosa) e suas homólogas (Z. mays,

S. bicolor, H. vulgare, O. sativa, B. distachyon, C. sativus, A. thaliana e V. carteri) pelo método de Neighbor-

Joining, bootstrap de 1000 replicatas e 95% Cutoff. Análise conduzida pelo MEGA 7.

Pode-se perceber que na base da árvore, como grupo externo, se encontra o organismo

unicelular da família Viridiplantae, o Volvox. O outro subgrupo presente é o das angiospermas,

onde a sequência da proteína SEC14 de cana-de-açúcar foi agrupada com outros membros das

Poaceae, apresentaram maior identidade (milho e sorgo). O ramo das monocotiledôneas e

eudicotiledôneas se separam com valor de bootstrap 93, mostrando confiabilidade da presença

das sequências nesses organismos, além de valor 97 para milho e sorgo, que são as duas

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sequências com mais alta identidade em relação a de cana-de-açúcar, com respectivamente, 97

e 98% (Tabela 1).

É pertinente observar, que na busca por sequências homólogas, em cana-de-açúcar foi

encontrada apenas uma sequência para cada planta analisada. Dessa maneira, como para o

modelo vegetal de A. thaliana o genoma foi sequenciado totalmente, buscou-se a possível

presença de variantes do RNAm por meio de splicing alternativo. Para isso foi utilizado a

sequência AT1G55840.2 homóloga a de SEC14 do banco de dados Tair

(http://www.arabidopsis.org/). Verificou-se a ocorrência de splicing alternativo, devido à

ausência de éxons no início do gene em um dos RNAm produzidos. Desse modo, nesse modelo

vegetal foi encontrado apenas um gene de SEC14 com duas variantes de RNAm.

4.3 INTERATOMAS

Tendo os dados bibliográficos mostrado uma possível atuação dessa proteína em S.

cerevisiae acerca de vários processos metabólicos supracitados, foi importante tentar

compreender os eventuais parceiros dessa proteína em plantas. Será que essa sequência poderia

interagir com proteínas associadas diretamente com genes relativos as vias de florescimento?

Desse modo, com o intuito de traçar alguma relação entre a proteína em estudo e outras

que tivessem alguma participação na floração, direta ou indiretamente, foram feitas as análises

dos interatomas pelas ferramentas STRING 10 e GeneMANIA mostrando uma rede de

interações entre a proteína SEC14 de A. thaliana e algumas formas da proteína Fosfolipase D

(PLD). Evidencia-se que os bancos de dados associados com sequências de plantas apresentam

informações apenas relacionadas às plantas modelo como Arabidopsis ou arroz. Dessa forma,

para esse interatoma foi utilizado o modelo vegetal Arabidopsis por apresentar-se como

principal organismo modelo para estudos com plantas, dispondo de mais pesquisas e dados,

sendo assim, um organismo bem caracterizado.

O interatoma do STRING 10 mostrou as interações que foram estabelecidas com

proteínas do grupo das PLD, que possivelmente estão relacionadas a proteína SEC14 por suas

funcionalidades similares. As proteínas PLDs são também conhecidas como proteínas

Fosfolipase D, atuando na hidrólise de fosfolipídeos formando assim, uma porção hidrofílica e

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ácido fosfatídico. Em plantas, essas PLDs foram relacionadas com diversos processos celulares

(WANG & WANG, 2001).

No interatoma do GeneMANIA obteve-se uma rede mais ampla de proteínas, contudo

todas elas se caracterizam dentro do grande grupo das proteínas SEC14-like, excetuando uma

que ainda é desconhecida e o grupo das PATL que exercem funções homólogas a SEC14. A

família das proteínas PATTELIN (PATL) possuem o domínio SEC14, isso implica que

exercem funções parecidas como no tráfego entre membranas, metabolismo de lipídeos e

funções reguladas por eles (PEIRO et al., 2014). A proteína PATL1 presente na interação

mostrada no interatoma, por exemplo, é caracterizada pelo domínio N-terminal seguido por

domínio da SEC14, essa proteína se liga a importantes fosfatidilinositóis reguladores do tráfego

de membranas (PETERMAN et al., 2004).

Foram feitos interatomas em diferentes ferramentas na tentativa de abarcar uma rede de

proteínas maior, contudo, ambos apresentaram interação com um grupo de proteínas em

particular, sendo as PATL uma família característica de plantas e as PLDs que apresentam uma

ligação com estágios do florescimento como será discutido mais adiante.

Visando mostrar se haveria conservação das interações mostradas no interatoma entre

os grupos de plantas, foi gerado este gráfico (Figura 7) da ocorrência das proteínas presentes

no interatoma no demais organismos. Assim, por meio do banco de dados do STRING 10,

observamos na Figura 7 o padrão de conservação das proteínas ligadas ao interatoma da SEC14

em diversos organismos. Vale salientar a alta expressividade das proteínas PLD em espécies da

família Brassicaceae, como em A. thaliana, bem como no grupo das gramíneas. Quanto mais

escuro o tom de vermelho, mais conservada está a proteína na espécie apresentada. A

conservação das proteínas PLDs em grupos como o das gramíneas nos mostra que

provavelmente essa interação também está conservada em cana-de-açúcar.

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Padrão de conservação de proteína SEC14-like de Arabidopsis entre os organismos

Figura 7 – Perfil de ocorrência da SEC14 entre os organismos. Na escala de similaridade vista na parte inferior

esquerda da imagem observa-se que tons mais escuros remetem a maior porcentagem de conservação da sequência,

enquanto tons de rosa claro seria pouca similaridade e o branco representa nenhuma similaridade detectada. No

lado direito da figura podemos ver outros agrupamentos por domínios e divisões, notar a divisão Streptophyta

dentro do domínio Eukaryota, onde se encontram os organismos principais para o presente estudo. Feito através

do STRING 10.

4.4 FATORES DE TRANSCRIÇÃO, miRNAs E PADRÃO DE EXPRESSÃO

Tendo em vista alguns trabalhos que mostraram a regulação de genes e vias do

florescimento por miRNAs (SPANUDAKIS et al., 2014; WANG, et al., 2009), resolveu-se

então buscar se a sequência SEC14 apresentava também regulação por miRNAs e quais

possíveis fatores transcricionais estariam envolvidos.

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Os dados do PlantPAN mostraram que a sequência pode ter regulação por miRNAs, nas

gramíneas eles apresentariam um papel regulatório similar, em A. thaliana, participariam da

formação de um meristema axilar e do desenvolvimento foliar (RODRIGUEZ, et al. 2010).

Pode-se perceber que os fatores de transcrição relacionados a sequência de SEC14 estão

envolvidos em funções diversas, mas igualmente importantes para o desenvolvimento da planta

em todos os seus estágios. Salientando o AINTEGUMENTE (ANT) responsável pelo

desenvolvimento do óvulo e gametófito feminino, o PHYTOCHROME INTERACTING

FACTOR 3 (PIF3) que possui interação com fotorreceptores PHYA e PHYB e, o RELATED

TO ABI3/VP1 1 (RAV1) que regula o desenvolvimento foliar e de outras estruturas. A maioria

dos fatores de transcrição apresentam funcionalidade descrita em mais de duas espécies

podendo exercer variadas ações dentre esses organismos.

Para inferir onde as sequências SEC14-like estariam mais expressas na planta e para

saber se possivelmente teriam relação com órgãos florais, foi feita a análise do padrão de

expressão absoluta e relativa pelo The Bio-Analytic Resource for Plant Biology (BAR) para

Oryza e Arabidopsis, que eram os dois organismos mais utilizados disponíveis nessa

ferramenta.

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Diagrama do padrão de expressão relativo de genes homólogos a SEC14 em Oryza

sativa

Figura 8 –Nível de expressão relativa ao seu valor controle de genes homólogos a SEC14 exibidos em O. sativa,

mostrando onde o gene está mais expresso. Fonte: BAR.

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Diagrama do padrão de expressão relativo de genes homólogos a SEC14 em

Arabidopsis thaliana

Figura 9 –Nível de expressão relativa ao seu valor controle de genes homólogos a SEC14 exibidos em A thaliana,

mostrando onde o gene está mais expresso. Fonte: BAR.

Pelos dados de expressão absoluta podemos observar que em arroz, a SEC14-like está

mais expressa nas sementes e nas folhas jovens. Para A. thaliana, os dados acima mostraram

maior expressividade de SEC14-like nas pétalas das flores em estágio 12, no primeiro nó, nos

pedicelos das flores em estágio 15, nos estames de flores em estágio 12 e também em sementes

no estágio 7, podemos dizer então, que os genes homólogos da SEC14 foram expressos em

algumas estruturas que fazem parte diretamente da reprodução, como os estames.

Os dados de expressão relativa, que levam em consideração o valor controle do gene,

referentes as Figuras 8 e 9 mostram-se um pouco distintos dos dados de expressão absoluta,

especialmente em arroz, onde a expressão foi mais alta nas sementes no estágio 1, na

inflorescência de estágio 5 e jovem, além da folha madura. Para Arabidopsis, entretanto, os

resultados foram similares aos valores absolutos, apresentando-se mais expressos nos mesmos

locais, ou seja, nas pétalas das flores em estágio 12, no primeiro nó e nos pedicelos das flores

em estágio 15. Notabiliza-se que para os dois organismos analisados, há de modo geral, um

aumento de expressão na inflorescência, fortificando a hipótese da ligação entre a proteína

SEC14 e o florescimento.

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4.5 PCR, PRIMERS E PLASMÍDEO

Os resultados da Figura 10 mostram o início dos experimentos in vitro do trabalho. A

parte A remete à construção dos primers que foi esquematizada na Figura 5. Ressaltando que

os 30 pb (pares de bases) adicionados antes e após a sequência codante são deixados por

garantia para que a ORF contendo o cDNA da SEC14 não tenha porções perdidas. Na parte

B da Figura 12 é observado o fragmento obtido após a PCR. Os dois primeiros poços

correspondem ao material amplificado para a construção em orientação Senso e os outros dois

poços, referem-se ao material amplificado a ser utilizado para a construção Anti-Senso. Essas

duas orientações correspondem a direção do cDNA amplificado, junto com o promotor que

será utilizado para montagem do cassete de superexpressão. A parte C da figura abaixo

corresponde ao esquema do DNA plasmidial do vetor pGEM - T Easy (Promega) que foi

utilizado nessa primeira etapa após a amplificação do cDNA completo via metodologia de

PCR. Com a construção dos cassetes de superexpressão, pretende-se utilizá-los no futuro para

transformação de plantas e com isso realizar a caracterização funcional dessa sequência em

plantas.

Primers, amplificação e vetor de clonagem

Figura 10 – (A) Uma das etapas do desenho de primers, contendo o tamanho da ORF onde provavelmente está o

cDNA da proteína SEC14. (B) Gel de agarose 0,8% referente a PCR para amplificação do material contendo o

gene da SEC14 de cana-de-açúcar, os dois primeiros poços referem-se ao material para a construção em orientação

Senso e os dois seguintes, ao material a ser utilizado na construção Anti-Senso. (C) Vetor de clonagem utilizado,

salientando as enzimas de restrição utilizadas. Fonte: Autoria própria.

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5 DISCUSSÃO

A floração é sem dúvida o meio natural pelo qual ocorre a reprodução e continuidade

da vida das angiospermas. As mudanças fisiológicas e de expressividade gênica são cruciais e

minuciosamente reguladas por mecanismos intrínsecos, bem como, influenciadas por condições

do meio (WILS et al., 2016; SONG et al., 2015; KHAN et al., 2014; MATSOUKAS et al.,

2012; ARALDI et al., 2010). Apesar de amplamente conhecido, esse processo em gramíneas,

particularmente em cana-de-açúcar, ainda não foi totalmente desvendado e faltam muitos

estudos moleculares para que isso ocorra (ARALDI et al., 2010; MEDEIROS et al., 2016).

Em situações críticas, há uma tendência evolutiva de qualquer espécie a se reproduzir e

gerar descendentes para sua continuidade genética. Em detrimento dessas situações, para

transpor barreiras ambientais, os cultivares precisam fornecer uma resposta adequada, no

momento certo. Quando se trata da floração, essa sinalização envolve a percepção do meio e o

disparo de cascatas, que irão por fim atingir o ápice meristemático onde ocorrerá a formação

dos órgãos florais para permitir que a espécie consiga se propagar (WILS et al., 2016;

MATSOUKAS et al., 2012). O tempo apropriado para ocorrer a transição para floração envolve

variados sinais que atuam como gatilho para início do processo, como por exemplo, a

temperatura para a via de vernalização, a duração da luminosidade para via do fotoperíodo,

ademais, a multiplicidade de fatores transcricionais existentes (Figura 2) (KOMEDA, 2004;

SONG et al., 2013; HANANO et al., 2011; HENDERSON et al., 2004).

Quando analisadas as relações filogenéticas, pode-se dizer que os organismos começam

a acumular mutações desde o momento que divergem de seu ancestral comum. Para tornar a

árvore enraizada, foi escolhido um organismo conhecidamente afastado dos demais, formando

o grupo externo. Nota-se que os grupos das monocotiledôneas e eudicotiledôneas estão

fielmente separados (Figura 6). Observou-se a proximidade das sequências, estando a SEC14

de cana-de-açúcar no mesmo grupo com outras Poaceae que apresentaram alta identidade nos

alinhamentos. Relembrando que existem dados que relatam a ocorrência de um evento de

duplicação de todo o genoma em plantas (um processo conhecido como WDG). Esse evento de

duplicação ocorreu em momentos diferentes, no ancestral que deu origem as plantas, e depois

na separação em eudicotiledôneas e monocotiledôneas. Todos esses eventos são considerados

processos evolutivos importantes, conferindo assim, variabilidade entre os vegetais (JIAO et

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al., 2011). Em algumas espécies este processo de duplicação foi mantido, e em outras houve a

perda de sequências. Todo esse processo levou a um aumento do tamanho do genoma e

corrobora para sua complexidade. Em algumas ocasiões, essas duplicações conferiram a

neofuncionalizações dos genes, sendo assim, de caráter adaptativo (PANCHY et al., 2016).

Outro ponto importante a ser enfatizado nas espécies com valor agronômico é o processo de

poliploidia, ou duplicação completa do genoma, que está difundido de forma ubíqua entre as

angiospermas (RENNY-BYFIELD et al., 2014). Entretanto, da mesma forma em que novas

funcionalidades podem ser adquiridas pelos genes (neofuncionalização), o silenciamento dos

mesmos pode ocorrer, havendo a seleção para permanência de apenas uma cópia de cada gene

(JIAO et al., 2011), ou ainda, a subfuncionalização de genes, que não os excluem, mas

comprometem sua função. Além de duplicações no genoma, a diversidade gênica também pode

ser atribuída aos eventos de splicing alternativo. Em A. thaliana, foi reportado splicing

alternativos na regulação da expressão gênica, funcionalidade do meristema e na transição para

floração (ECKARDT, 2002). As pesquisas acerca dos genes em cultivares poliploides como a

cana-de-açúcar, facilitam o melhoramento dos cultivares, tendo em vista que, a flutuação

genômica pode se relacionar com reduções da produtividade de cultivares comerciais

(BALESTRAZZI et al., 2011). Os processos de duplicação, sub e neofuncionalização e

silenciamento de genes são importantes aspectos a serem levados em consideração para o

melhoramento genético, assim, é significante aprofundar as pesquisas sobre esses.

Para o gene SEC14 foi encontrado apenas uma cópia, ou seja, para essa sequência não

se observou nenhum processo de duplicação entre as espécies analisadas, apesar da divergência

entre monocotiledôneas e eudicotiledôneas com 93% como mostra o dendograma (Figura 6).

Além disso, no gene SEC14 em A. thaliana observou-se eventos de splicing alternativo

conferindo variantes gênicas. Faz-se necessário estudos mais profundos para buscar a

funcionalidade desse splicing alternativo, bem como, se há ocorrência desse evento no gene

SEC14 em outras plantas.

Em relação aos fatores de transcrição observados para a sequência estudada mostraram

atuação em diversos processos. A seguir descreve-se a funcionalidade dos mesmos: o fator

AGAMOUS-LIKE 3 (AGL3) pertence à família dos genes SEPALLATA, envolvidos do

desenvolvimento de sépalas, pétalas, estames e carpelos, além de exercer uma função central

na determinação do meristema floral e identidade dos órgãos florais. O AINTEGUMENTA

(ANT) requerido na proliferação celular e desenvolvimento floral está envolvido em processos

como manutenção da identidade do ápice meristemático, importante no desenvolvimento do

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óvulo e gametófito feminino. O ARABIDOPSIS THALIANA HOMEOBOX 1 (ATHB1)

envolvido do desenvolvimento de folhas e hipocótilo, bem como na elongação da parede celular

e crescimento. O CELL DIVISION CYCLE 5 (CDC5) é essencial para a imunidade das plantas,

para o crescimento e diferenciação celular. O RELATED TO ABI3/VP1 1 (RAV1) é um

regulador negativo do desenvolvimento floral, também atuando no desenvolvimento da folha e

raiz lateral. O PHYTOCHROME INTERACTING FACTOR 3 (PIF3) interage com os

fotorreceptores PHYA e PHYB, estando também envolvido da via de sinalização mediada por

giberelina. O HOMEOBOX PROTEIN 5 (ATBH-5) regula positivamente a responsividade da

ABA, mediando o efeito inibidor desse hormônio no crescimento durante a estabilização da

semente. O fator DOF ZINC FINGER PROTEIN 1 (DOF1) em milho se relaciona com o

metabolismo do carbono, e nas plantas superiores de modo geral está envolvido em respostas a

luz e fitormônios, além de maturação e germinação de sementes. E por fim, o gene OPAQUE-

2, que no milho está envolvido no armazenamento do endosperma e no desenvolvimento do

grão.

Enfatiza-se os genes ANT que é necessário para o desenvolvimento do óvulo e

gametófito feminino e está relacionado com a floração por meio de genes como o APETALA2

(KLUCHER et al., 1996; NOLE-WILSON & KRIZEK, 2000). Ressalta-se também o PIF3 que

modula os níveis de PHYA e PHYB (LEIVAR et al., 2008) que são vitais para os processos

fotodependentes ao longo da vida da planta. O PHYTOCHROME INTERACTING FACTOR 4

(PIF4) homólogo ao PIF3 tem a função de indutor do FT (KUMAR et al., 2012). E o gene

RAV1 que modula respostas ao estresse (FU et al., 2014) e promove senescência foliar.

O padrão de expressão visto através do BAR (Figuras 8 e 9), mostrou em suas análises

relativas a maior expressividade em estruturas usadas nos estágios reprodutivos, agregando

informações a nossa hipótese de que a SEC14 se relaciona com a floração.

Muitos genes conhecidos estão envolvidos em diversas etapas do florescimento, o FT,

por exemplo, é um importante indutor floral que sinaliza a floração para o ápice meristemático

(TAOKA et al., 2013). Algumas variações em regiões específicas podem mudar a

funcionalidade do FT conferindo papel oposto, de inibidor do florescimento (HARIG et al.,

2012). Para que possa promover a floração, a proteína FT com função indutora precisa chegar

até o floema para ser transportado ao ápice meristemático, local onde interage com a proteína

FD formando um complexo e induzindo o gatilho para o processo de florescimento

(NAKAMURA et al., 2014). Durante todo o processo há vários fatores de transcrição que

influenciam de algum modo a proteína FT, além disso, Nakamura e colaboradores (2014)

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relataram que a proteína FT in vitro se liga especificamente a fosfatidilcolina, o aumento desse

fosfolipídio in vivo acelerou o florescimento e sua redução, consequentemente, o atrasou.

Embora tenha sido associada inicialmente como promotor floral, a proteína FT atua como

inibidor, inclusive há sugestões de que a proteína ancestral FT fosse repressora floral (HARIG

et al., 2012). Em cana-de-açúcar, Coelho e colaboradores (2014) relataram que existem

proteínas FT homólogas com função repressora. Assim, como proposto por Medeiros e

colaboradores (2016), visamos aprofundar os conhecimentos acerca da possível ligação da

SEC14 com esse tipo de proteína FT, com papel inibidor.

Sabendo que a proteína SEC14 pode ser relacionada ao transporte da fosfatidilcolina

(MOUSLEY et al., 2007), e que, possivelmente, há uma ligação entre a mesma e a proteína FT

homóloga inibitória, podemos inferir que uma superexpressão da proteína SEC14 ocasionaria,

por conseguinte, a repressão floral. Visto que a proteína FT pode apresentar funções

antagônicas, enfatiza-se que a variante aqui sugerida no estudo seria a da proteína FT com papel

inibitório, assim como o papel de repressor floral da SEC14 (MEDEIROS et al., 2016).

Ademais, evidencia-se que ainda não está explícito a real conexão entre as proteínas SEC14,

FT e os fosfolipídeos.

O interatoma mostrou interações com fosfolipases da família das PLDs. Em Arabidopsis

já foram caracterizados vários tipos de PLDs, dentre eles estão a alfa, beta, gama e delta, a

última inclusive foi associada fortemente com a membrana plasmática e tendo níveis de

expressão em tecidos como estames, flores e folhas velhas (WANG & WANG, 2001). Entre

as proteínas identificadas dessa família, encontram-se: a PLDALPHA1, uma fosfolipase que

possui papel importante em vários processos celulares, incluindo ativação de fitormônios (ácido

abscísico e etileno), degradação de membrana e respostas ao estresse (FAN et al., 1997); a

PLDBETA2, fosfolipase que atua no metabolismo de fosfatidilcolina, no tráfego de vesículas,

secreção, meiose, promoção de tumor e senescência; PLDBETA1, envolvido em processos de

crescimento, estágios da floração e de desenvolvimento de folhas, pétalas, estame e outras

porções da flor (SCHMID et al., 2005), além de estar relacionada com a germinação das

sementes mediando a transdução de sinal do ácido abscísico (LI et al., 2007); e a PLDDELTA,

fosfolipase que pode estar envolvida na acumulação de ácido fosfatídico em resposta ao estresse

hídrico e na transdução hormonal e de sinais ambientais para os microtúbulos do citoesqueleto,

além de estar expressa durante estágios da floração e no desenvolvimento de estruturas florais

(SCHMID et al., 2005), bem como, envolvida do metabolismo de fosfatidilcolina (KATAGIRI

et al., 2001). No tocante aos fitormônios ativados pelas fosfolipases mencionadas

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anteriormente, notabiliza-se as vias do florescimento que são mediadas direta ou indiretamente

por hormônios vegetais, como a via das giberelina mediada diretamente pela giberelina, que

por sua vez é capaz de promover a formação dos primórdios florais (ARTECA, 1996 apud

ARALDI et al., 2010). As proteínas com maiores interações com a SEC14 apresentam

expressividade em órgãos florais e estágios da floração, além de estarem com alta conservação

entre as gramíneas e algumas eudicotiledôneas. A rede de interações mostrada pelo

GeneMANIA destacou a proteína PATL (PATELLIN) que se localiza na placa celular durante

os últimos estágios da citocinese, além de estar associada ao tráfego de vesículas (PETERMAN

et al., 2006). Além disso, a Figura 7 mostrou o padrão de conservação de uma proteína SEC14-

like em A. thaliana e pode-se ver que há uma ampla representatividade da mesma entre os

organismos, estando especialmente bem conservada nas gramíneas, inferindo estar bem

conservada em cana-de-açúcar.

6 CONCLUSÕES E PERSPECTIVAS

Em síntese, os dados provenientes das análises in silico foram realizados com

sequências homólogas bem conservadas, que apresentaram em sua filogenia uma separação

clara entre monocotiledôneas e eudicotiledôneas. Evidenciou-se com as análises de expressão

em tecidos vegetais, bem como através dos fatores de transcrição, que essa sequência apresenta

envolvimento com processos ligados a floração, além de estar expressa em diversas partes dos

órgãos florais.

A vinculação entre fosfolipídeos e as proteínas SEC14 e FT não foi absolutamente

desvendada, contudo propõe-se que haja uma correspondência entre a proteína homóloga FT

com papel inibitório e a proteína SEC14. Portanto, os dados obtidos nesse estudo e em pesquisas

anteriores reforçam o possível papel da SEC14 como repressor da via de florescimento em

cana-de-açúcar. Dessa forma, agregando novas informações aos escassos conhecimentos sobre

genes envolvidos no processo de floração em cana-de-açúcar.

Por fim, esse trabalho tem como perspectivas futuras a construção dos cassetes de

superexpressão e a transformação de plantas transgênicas contendo esses cassetes, para dessa

maneira caracterizar funcionalmente a proteína SEC14 na espécie trabalhada. Estudos in silico

mais complexos devem ser feitos para compreender melhor as interações da proteína na via

floral, traçando novas relações ainda não observadas. O presente estudo ajudará no melhor

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entendimento da reprodução desse cultivar, possibilitando identificar genes que exerçam papel

importante tanto econômico quanto biologicamente.

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