Post on 19-Jan-2019
LGN 5799 - SEMINÁRIOS EMGENÉTICA E MELHORAMENTO DE PLANTAS
Programa de Pós-Graduação em Genética e Melhoramento de Plantas
Departamento de Genética
Avenida Pádua Dias, 11 - Caixa Postal 83, CEP: 13400-970 - Piracicaba - São Paulo - BrasilTelefone: (0xx19) 3429-4250 / 4125 / 4126 - Fax: (0xx19) 3433-6706 - http://www.genetica.esalq.usp.br/semina.php
Fungos mutualistas x patogênicos:Fungos mutualistas x patogênicos:Genômica estrutural e sua contribuição para o
entendimento das relações fungo-planta
Doutoranda: Léia Cecília de Lima Fávaro
Orientador: Dr. Welington Luiz de Araújo
Discuta, do ponto de vista evolutivo, o fato de que um microrganismo endofítico pode se tornar patogênico.
(Exame de Qualificação)
Fungos mutualistas x patogênicos:Fungos mutualistas x patogênicos:Genômica estrutural e sua contribuição para o
entendimento das relações fungo-planta
Tema do seminário
Análise genômica comparativa: evolução da fitopatogenicidade
SUMÁRIO
Genomas: aspectos gerais Fungos: importância
Considerações / Desafios / Perspectivas
Simbiose entre plantas e fungos Mutualismo X Parasitismo
Genomas: aspectos gerais
O genoma de um organismo representa o complemento total de genes e é portanto, um estoque de informação biológica independente do contexto.
Algumas definições...
Genômica Estrutural
Genômica Funcional
Uma abordagem holística (baseada em sistemas) para estudar o fluxo de informação dentro de uma célula;
Aplicação de métodos de alto processamento e tecnologias automatizadas à biologia, permitindo análise funcional do genoma, proteoma e metaboloma de um organismo.
Transcriptoma
Proteoma
Metaboloma
Contêm informação biológica altamente dependente do
contexto - dinâmica
Talbot (2003)
Genomas completamente seqüenciados Janeiro 2008
Publicados
Fonte: http://www.genomesonline.org
Junho = 819
Genomas: aspectos gerais
Projetos de seqüenciamento de genomas Janeiro 2008 – 3520 projetos
Fonte: http://www.genomesonline.org
Junho = 3823
Genomas: aspectos gerais
Projetos de seqüenciamento de acordo com o grupo filogenético - Janeiro 2008
Fonte: http://www.genomesonline.org
Genomas: aspectos gerais
Grupos de eucariotos com projetos genoma Janeiro 2008
Fonte: http://www.genomesonline.org
Genomas: aspectos gerais
Um melhor entendimento da biologia de fungos não somente facilita o uso inteligente dos fungos benéficos, mas também
permite avanços no controle de espécies patogênicas.
van Baarlen et al (2007)
Análise genômica comparativa de todo um
reino eucariótico
Base genética e evolutiva dos
diferentes estilos de vida dos fungos
patogênese mutualismosaprofitismo
Ferramentas de bioinformática e de genômica funcional
microarranjosproteoma
metaboloma
Acúmulo de seqüências genômicas
Genomas: aspectos gerais
Fungos: importância
George W. Beadle
Prêmio Nobel em 1958: Beadle, Tatum e Lederberg - Estudos pioneiros com o fungo Neurospora e a bactéria E. coli.
Genética Bioquímica
1941: Teoria
um gene, uma enzimaNeurospora crassa
Organismos Modelo
1996: Primeiro organismo eucariótico a ter o genoma seqüenciado
Levedura -Saccharomyces cereviseae
Cogumelos comestíveis
Controle biológico de insetos praga
Produção de fármacos: penicilina, cefalosporina,
taxol, proteínas heterólogas
Produção de vinhos
Produção de ácidos orgânicos – ácido cítrico
Produção de álcool Indústria
Fungos: importância
Em contraste aos benefícios... Patógenos de animais e plantas
Antracnose do milho –Colletotrichum graminicola
Mancha preta do Citrus –Guignardia citricarpa
Vassoura de bruxa do cacau-Crinipellis perniciosa
Carvão do milho –Ustilago maydis
Ferrugem asiática na soja -Phakopsora pachyrhizi
Fungos: importância
Simbiose entre plantas e fungos - Mutualismo X Parasitismo
A simbiose entre fungos e plantas é um fenômeno amplamente distribuído na natureza.
O resultado desta interação pode variar
mutualismo - comensalismo - parasitismo
Continuum simbiótico
Na maioria dos casos, a planta hospedeira não sofre danos, e de fato, pode ter vantagem com a colonização pelo fungo. Exemplo: micorrizas e fungos endofíticos
Kogel et al (2006)
Associação micorrízica: Interação mutualística entre fungos e raízes de plantas – mais intensamente estudada.
Ectomicorriza
�Principalmente Basidiomicetos
�Espécies arbóreas - florestas
Douglas fir e Laccaria bicolor.Martin et al (2001, 2008)Reinhardt (2007)
Endomicorriza (Micorriza Arbuscular)
�Filo Zigomicetos
�Ampla ocorrência em todos os ecossistemas
�Surgimento das plantas terrestres (460 m.a.)
�Biotróficos
Brundrett (2001)
Simbiose entre plantas e fungos - Mutualismo X Parasitismo
Anatomia de uma raiz com micorriza arbuscular. Siqueira et al (2002)
Ipê: sem e com micorriza. Siqueira et al (2002)
Simbiose entre plantas e fungos - Mutualismo X Parasitismo
mutualismo - comensalismo - parasitismo
Continuum simbiótico
Comensalismo e Mutualismo: Requerem um balanço sofisticado (sob controle genético, fisiológico e ambiental) entre as demandas do fungo e a resposta de defesa da planta.
Se a interação torna-se desbalanceada: os sintomas de doença aparecem ou o fungo é excluído pelas reações de defesa da planta hospedeira.
Interações microrganismo-planta
Doença é exceção
Considerada como um status desbalanceado
da simbiose
Kogel et al (2006)
Simbiose entre plantas e fungos - Mutualismo X Parasitismo
Triângulo da doença. Interações compatíveis entre um patógeno e o hospedeiro somente resultam em doença se as condições ambientaisforem favoráveis. van Baarlen et al (2007)
Simbiose entre plantas e fungos - Mutualismo X Parasitismo
Mutações em genes únicos: Mudanças no estilo de vida do fungo
patogênico para mutualista ou
mutualista para patogênico
Para ilustrar como esta relação é complexa:
A colonização de diferentes hospedeiros pode fazer com que um fungo adote estilos de vida contrastantes.
Simbiose entre plantas e fungos - Mutualismo X Parasitismo
Genetic Conversion of a Fungal Plant Pathogen to a Nonpathogenic, Endophytic Mutualist
Stanley Freeman and Rusty J. RodriguezDepartment of Plant Pathology, University of California, Riverside, CA 92521
Science 2 April 1993: Vol. 260. no. 5104, pp. 75 - 78
Fungo ascomiceto Colletotrichum magna – antracnose em cucurbitáceas (melancia) - hemibiotrófico
Obtenção de mutantes (UV) – um mutante não patogênico (path-1)
Objetivos: Analisar a genética envolvida na patogenicidade e na especificidade ao hospedeiro.
Simbiose entre plantas e fungos - Mutualismo X Parasitismo
Seedlings melancia após 10 dias da inoculação (selvagem, mutante, mutante + selvagem)
Path-1: compatível para incompatível -Reconhecimento do patógeno pela planta ?
Monitoramento da colonização do selvagem e path-1. Atraso na colonização.
Genetic Conversion of a Fungal Plant Pathogen to a Nonpathogenic, Endophytic MutualistStanley Freeman and Rusty J. Rodriguez
Department of Plant Pathology, University of California, Riverside, CA 92521
Science 2 April 1993: Vol. 260. no. 5104, pp. 75 - 78
Simbiose entre plantas e fungos - Mutualismo X Parasitismo
Genetic Conversion of a Fungal Plant Pathogen to a Nonpathogenic, Endophytic MutualistStanley Freeman and Rusty J. Rodriguez
Department of Plant Pathology, University of California, Riverside, CA 92521
Science 2 April 1993: Vol. 260. no. 5104, pp. 75 - 78
E a gama de hospedeiros do mutante é igual à do selvagem?
Mutante path-1 protege seedlings de melancia contra o
patógeno Fusarium oxysporum f. sp. niveum
Simbiose entre plantas e fungos - Mutualismo X Parasitismo
Esporulação, Adesão dos conídios, Formação de apressório, Infecção e Gama de hospedeiros
Mutante não patogênico path-1: = Tipo
selvagem
Genetic Conversion of a Fungal Plant Pathogen to a Nonpathogenic, Endophytic MutualistStanley Freeman and Rusty J. Rodriguez
Department of Plant Pathology, University of California, Riverside, CA 92521
Science 2 April 1993: Vol. 260. no. 5104, pp. 75 - 78
Um patógeno pode expressar estilos de vida simbiótico não patogênico
Reavaliação da função dos fungos na estrutura e dinâmica de comunidades vegetais
Um fungo fitopatogênico pode ser modificado por mutação para crescer como um endofítico não patogênico (um único gene)
A genética envolvida na patogenicidade e na especificidade ao hospedeiro é diferente.
Simbiose entre plantas e fungos - Mutualismo X Parasitismo
Fungo endofítico Epichloe festucae e Lolium perenne (gramínea )
Objetivos: Screening de mutantes - busca de genes simbióticos
�Crescimento �Tolerância stress biótico
Isolaram um mutante que alterou a interação:
mutualística parasítica
gene NoxA: NADPH oxidase
Simbiose entre plantas e fungos - Mutualismo X Parasitismo
Análise citoquímica: produção de ROS foi reduzida no mutante
Expressão de PR proteínas em
Lolium colonizadas com selvagem e mutante noxA
Simbiose entre plantas e fungos - Mutualismo X Parasitismo
�Mudança de mutualismo para parasitismo pela mutação em um único gene do fungo.
�Nova função para ROS na regulação da interação mutualista.
�Mecanismo da simbiose:
Produção de ROS pelo gene noxA de Epichloe in plantaregula negativamente o desenvolvimento e ramificação das hifas, prevenindo a colonização excessiva do tecido vegetal.
Simbiose entre plantas e fungos - Mutualismo X Parasitismo
O que faz um fungo ser patogênico? �No reino Fungi, a capacidade de causar doenças em plantas parece ter originado múltiplas vezes durante a evolução. Berbee (2001)
Simbiose entre plantas e fungos - Mutualismo X Parasitismo
�fenótipo complexo �diversidade na biologia de desenvolvimento e tipos de sintomas
Capacidade de causar doença:
Cada espécie patogênica tem evoluído uma maneira especial para invadir as plantas e causar doença.
Uma vez dentro da planta, três estratégias de colonização são empregadas (para o crescimento e desenvolvimento):
Simbiose entre plantas e fungos - Mutualismo X Parasitismo
necrotrofia biotrofia hemibiotrofia
http://www.phi-base.org/
Sumário do número de espécies e genes envolvidos na patogenicidade
Winnenburget al (2008)
Identificação de genes envolvidos na patogenicidade:
vias, proteínas e genes do processo patogênico
Alvos no fungo para controle químico(fungicidas ou drogas antifúngicas)
Alvos no hospedeiro podem ser modificados para reduzir sua susceptibilidade ao patógeno (plantas geneticamente modificadas)
Simbiose entre plantas e fungos - Mutualismo X Parasitismo
Análise genômica comparativa: evolução da fitopatogenicidade
Diferenças entre patógenos e não
patógenos ao nível genômico
Disponibilidade de seqüências genômicas
É possível identificar mecanismos moleculares comuns associados com
espécies de fungos que causam doenças em plantas?
Análise genômica comparativa: evolução da fitopatogenicidade
Genomas de fungos e oomicetos fitopatogênicos disponíveis publicamente
Soanes et al (2007)
Análise genômica comparativa: evolução da fitopatogenicidade
Published June 4, 2008
Background - Introdução
Fungos e oomicetos patogênicos: diversidade de doenças e desafio para o desenvolvimento de estratégias de controle duráveis.
Principal objetivo da pesquisa atual: identificar mecanismos moleculares necessários para patogênese em várias espécies.
Análise genômica comparativa: evolução da fitopatogenicidade
Estudar um gene de cada vez:
�Processos governados por muitos genes (haustório)
�Patógenos biotróficos (não cultivados)
Comparação de genomas de fungos patogênicos e não patogênicos
Esforços para identificação de determinantes de patogenicidade:
Somente para poucos fungos fitopatogênicos (modelo)
Mutação – deleção gene alvo Alteração do fenótipo
Background - Introdução
Análise genômica comparativa: evolução da fitopatogenicidade
�Comparação de 36 genomas de espécies diferentes (34 fungos e 2 oomicetos)
�Identificação de grupos de genes ortólogos
�Identificação de famílias de proteínas (Pfam)
(http://www.sanger.ac.uk/Software/Pfam/)
�Análise comparativa de ascomicetos
fitopatogênicos e saprófitos
�Identificação de proteínas secretadas (secretoma) (SignalP 3.0/WoLF PSORT)
Análise genômica comparativa: evolução da fitopatogenicidade
Agrupamento de seqüências: Todas as proteínas preditas de 36 espécies foram agrupadas por MCL (Markov ChainClustering).
348.787 proteínas
Um total de 282.061 proteínas preditas foram agrupadas em
23.724 clusters
Cada cluster representando um grupo de genes ortólogos putativos
http://www.e-fungi.org.uk
Resultados
Análise genômica comparativa: evolução da fitopatogenicidade
Não existem fatores de patogenicidade conservados em e específicos à todas as espécies de
fitopatógenos.
As diferenças são devidas à expansão de certas famílias de genes nos genomas de espécies fitopatogênicas associadas com funções necessárias
para a patogênese
Resultados
�fitopatogênicos X não patogênicos: genômica comparativa
Análise genômica comparativa: evolução da fitopatogenicidade
Resultados
�Vias de metabolismo secundário:�Proteases e peptidases:�Enzimas degradadoras de parede celular:�NLPs: disparam respostas de defesa, necrose e morte celular em plantas, podem agir como fatores de virulência�Catabolismo de compostos tóxicos:
Famílias de proteínas que foram pelo menos duas vezes mais comuns nos proteomas de fitopatógenos do que nos saprófitos:
�fitopatogênicos X não patogênicos: genômica comparativa
Análise genômica comparativa: evolução da fitopatogenicidade
Resultados
�Análise comparativa do secretoma de fitopatógenos e não patógenos
Em bactérias e oomicetos: proteínas secretadas (efetores) são importantes para estabelecer a infecção da planta, desarmando as defesas e subvertendo os processos celulares para as necessidades dos patógenos invasores.
%Porcentagem do proteoma total que é secretada em cada fungo (predição)
Análise genômica comparativa: evolução da fitopatogenicidade
Resultados
�Análise comparativa do secretoma de fitopatógenos e não patógenos
Famílias de proteínas que foram exclusivas ou pelo menos duas vezes mais comuns no secretoma de fitopatógenos do que nos saprófitos:
Potenciais efetores em fungos:• Proteases secretadas• Fatores de transcrição• Proteínas envolvidas em rearranjos do citoesqueleto• Interações proteína-proteína• Isochorisimatases secretadas específicas de patógenos:podem suprimir as defesas dependente de ácido salicílico da planta
Genes efetores são alvo direto das forças evolutivas que dirigem a coevolução(arms race) entre patógeno e hospedeiro, pois seus fenótipos se estendem às células e tecidos da planta (seleção positiva – taxa evolutiva acelerada)
Análise genômica comparativa: evolução da fitopatogenicidade
Conclusões
Embora a evolução da fitopatogenicidade tenha acontecido várias vezes e os estilos de vida destes fungos sejam diversos, as comparações genômicas permitem:
� Apontar novas famílias de genes que podem ter funções na virulência de fitopatógenos, permitindo sua seleção para estudos funcionais;
� Identificar mecanismos patogênicos conservados e inovações e adaptações patogênicas linhagem-específicas;
� Revelar onde eventos de transferência gênica horizontal contribuíram para aquisição de novas funções associadas à virulência
Como aplicar a riqueza de informações obtidas a partir dos estudos genômicos para melhorar a produção vegetal?
Desafios e Perspectivas:
Análise genômica comparativa: evolução da fitopatogenicidade
A descoberta de genes efetores de fungos que tem importante contribuição para virulência pode permitir a identificação dos melhores genes R a serem utilizados.
Efetores podem permitir a identificação dos processos que são perturbados na planta hospedeira, permitindo a modificação destes alvos para insensibilidade, ou
Utilização dos genes alvo na planta como marcadores QTL para o melhoramento vegetal.
Bent & Mackey (2007)
Análise genômica comparativa: estudos evolutivos
Duplicação e perda de genes: inovação funcional
Os princípios que governam estes processos não são entendidos
Acúmulo de genomas: reconstrução da história de duplicação e perdas de genes entre espécies
Estudos de duplicação e perda de genes: resolução de ortologia e paralogia (difícil)
Sistema computacional (SYNERGY)
Resolução da história evolutiva de todos os genes de 17 genomas de fungos ascomicetos (300 milhões de
anos de evolução)
Análise genômica comparativa: estudos evolutivos
Análise genômica comparativa: estudos evolutivos
Reconstrução dos eventos evolutivos
Aparecimento
Duplicação
Perda
Patógenos de plantas: História evolutiva complexa
�Transferência Horizontal
�Expansão e perda de genes de metabolismo secundário
�Expansão e perda de genes de receptores celulares
Soanes et al (2007)
Análise genômica comparativa: estudos evolutivos
Criação das ferramentas de análise: extensão deste tipo de análise para outros organismos (plantas e animais)
Duplicação e perda de genes:
é altamente limitada pelas propriedades funcionais e padrões
de interação dos genes.
Genes relacionados à estress exibem mais duplicações, enquanto genes relacionados ao crescimento mostram
seleção contra tais mudanças.
Destino funcional de genes duplicados:
raramente divergem quanto a função bioquimica, mas divergem com
relação ao controle regulatório.
Considerações / Desafios / Perspectivas
Acúmulo de seqüências genômicas de fungos:
Resposta da planta à colonização por fungos mutualistas e patogênicos:
padrões comuns nos primeiros estágios de
infecção
www.plantcell.org/cgi/content/full/tpc.105.035410/DC1
Surgimento de novas linhas de pesquisa: análise in silico –biologia de sistemas
OBRIGADA!