Abordagens de Bioinformática aplicadas na análise de dados gerados por estresse abiótico em cana-de-açúcar: microgravidade e peróxido de hidrogênio
dc.contributor.advisor | Scortecci, Katia Castanho | |
dc.contributor.advisorID | https://orcid.org/0000-0002-4690-2785 | pt_BR |
dc.contributor.advisorLattes | http://lattes.cnpq.br/4808910380593455 | pt_BR |
dc.contributor.author | Silva, Lucas Felipe da | |
dc.contributor.authorLattes | http://lattes.cnpq.br/3918864615139279 | pt_BR |
dc.contributor.referees1 | Ferreira, Beatriz Stransky | |
dc.contributor.referees1ID | https://orcid.org/0000-0003-4506-393X | pt_BR |
dc.contributor.referees1Lattes | http://lattes.cnpq.br/3142264445097872 | pt_BR |
dc.contributor.referees2 | Uchoa, Adriana Ferreira | |
dc.contributor.referees3 | Alvim, Fátima Cerqueira | |
dc.contributor.referees4 | Calsa Júnior, Tercilio | |
dc.date.accessioned | 2024-07-17T21:01:03Z | |
dc.date.available | 2024-07-17T21:01:03Z | |
dc.date.issued | 2024-03-07 | |
dc.description.abstract | Sugarcane (Saccharum spp.) is a C4 monocotyledonous plant adapted to tropical and subtropical environments belonging to the Poaceae family. Brazil stands out as the world's largest producer of this crop, playing a crucial role in the global sugarcane industry. Plants, including sugarcane, are susceptible to a variety of biotic and abiotic factors that can induce an oxidative stress. This stress results from an imbalance in the homeostasis between the production and degradation of Reactive Oxygen Species (ROS). This scenario can affect plant development and consequently yield. Among these ROS, hydrogen peroxide (H2O2) acts as a key signaling molecule, responding to various cellular stimuli in plant systems. The aim of this study was to identify, in the roots and leaves of sugarcane, the transcripts and genes that act in response to oxidative stress induced by microgravity and H2O2 at different concentrations, correlating the responses of different stressors, as well as their similarities, specific adaptations, and tolerance to oxidative stress. To achieve this, this thesis was structured into two distinct chapters. The first chapter employs bioinformatics tools to investigate the effects of altered gravitational fields as a stressor in sugarcane plants, with specific focus on responses to oxidative stress. This investigation is based on messenger RNA sequencing data analysis. The second chapter addresses the analysis of genes and proteins expressed by the induction of oxidative stress through the exogenous application of varied concentrations of H2O2 (0 mM, 10 mM, 20 mM, and 30 mM) over a period of 8 hours in sugarcane plants, considering that H2O2 is a signaling molecule of oxidative stress. This investigation was based on proteomic data analysis. In both approaches described in the chapters, Sorghum bicolor, Zea mays, and Oryza sativa subsp. japonica species were used as reference models. The results of bioinformatics analysis identified specific genes that act in response to microgravity, such as C5WVD4 associated with isoleucine synthesis and C5YLK6 in NADPH production. Additionally, genes with altered expression at different H2O2 concentrations were identified. For instance, C5XFH6 and B4G143, related to NADPH supply and positive regulation of ROS in photosynthesis, respectively, were among the genes with significant expression changes. Furthermore, the study identified enriched metabolic pathways in response to microgravity and H2O2. These pathways include selenium compound metabolism, photosynthesis-antenna proteins, and the pentose phosphate pathway, highlighting significant biochemical adaptations in sugarcane under the studied conditions. This multidisciplinary study, encompassing histology, biochemistry, RNA-seq analysis, and proteomics, provides a comprehensive understanding of the effects of microgravity and H2O2 on sugarcane. These changes were verified in tissue structural organization, lignin accumbased by bioinformatic analyses in identifying distinct genes/proteins uniquely expressed in each tissue and the activated metabolic pathways in leaves and roots. It elucidates the varied responses of sugarcane plants to altered gravity conditions during the VSB-30 sounding rocket flight and exposure to different H2O2 concentrations. The study reveals a complex network of genes and metabolic pathways activated in response to oxidative stress, playing a fundamental role in triggering defense and tolerance mechanisms. The generated data significantly enhance our understanding of plant responses to the analyzed adverse conditions, highlighting specific adaptive strategies employed. Additionally, the findings underscore the critical role of H2O2 in adaptive and survival responses, as well as the versatility of the phytohormone abscisic acid (ABA) in mediating signaling between roots and leaves. These insights are important for the development of genetic improvement strategies and optimization of cultivation practices to enhance plant performance under variable environmental conditions. | pt_BR |
dc.description.resumo | A cana-de-açúcar (Saccharum spp.) é uma planta monocotiledônea C4 adaptada a ambientes tropicais e subtropicais pertencente à família Poaceae. O Brasil destaca-se como o maior produtor mundial dessa cultura, desempenhando um papel fundamental na indústria global da cana-de-açúcar. Plantas, incluindo a cana-de-açúcar, são suscetíveis a uma variedade de fatores bióticos e abióticos que induzem ao estresse oxidativo. Esse estresse resulta de um desequilíbrio na homeostase entre a produção e degradação de Espécies Reativas de Oxigênio (EROs), cenário que pode afetar adversamente o desenvolvimento das plantas. Entre essas EROs, o peróxido de hidrogênio (H2O2 ) atua como uma molécula sinalizadora-chave, respondendo a vários estímulos celulares em sistemas de plantas. O principal objetivo deste estudo foi identificar, nas raízes e folhas da cana-de-açúcar, os transcritos e os genes que podem atuar em resposta ao estresse oxidativo induzido pela microgravidade e H2O2 em diferentes concentrações, correlacionando as respostas dos diferentes agentes estressores, assim como suas semelhanças, adaptações específicas e tolerância ao estresse oxidativo. Este trabalho foi realizado utilizando análises de bioinformática, com isso, esta tese foi estruturada em dois capítulos distintos. O primeiro capítulo utiliza ferramentas de bioinformática para investigar os efeitos dos campos gravitacionais alterados como agente estressor nas plantas de cana-de-açúcar, com foco específico na resposta ao estresse oxidativo. Essa investigação foi baseada na análise de dados de sequenciamento de RNA mensageiro. O segundo capítulo aborda a análise dos genes e proteínas expressas pela indução do estresse oxidativo por meio da aplicação exógena de concentrações variadas de H2O2 (0 mM, 10 mM, 20 mM e 30 mM) ao longo de um período de 8 horas, em uma faixa de temperatura controlada de 25-27 °C em plantas de cana-de-açúcar. Considerando que o H2O2 é uma molécula sinalizadora do estresse oxidativo. Essa investigação foi baseada na análise de dados obtidos com uma abordagem proteômica. Em ambas as abordagens metodológicas descritas nos capítulos, as espécies Sorghum bicolor, Zea mays e Oryza sativa subsp. japonica foram utilizadas como modelos de referência. Os resultados da análise de bioinformática identificaram genes específicos que atuam na resposta à microgravidade como o C5WVD4 associados à síntese de isoleucina e o C5YLK6 na produção de NADPH. Além disso, foram identificados genes com expressão alterada em diferentes concentrações de H2O2. Por exemplo, C5XFH6 e B4G143, relacionados ao fornecimento de NADPH e à regulação positiva de EROs na fotossíntese, respectivamente, estavam entre os genes com mudanças de expressão significativas. Além disso, o estudo identificou vias metabólicas enriquecidas em resposta à microgravidade e H2O2. Essas vias incluem o Metabolismo de compostos de selênio, fotossíntese - proteínas de antena e a via da pentose fosfato, destacando adaptações bioquímicas significativas na cana-de-açúcar nas condições estudadas. Este estudo multidisciplinar, que abrangeu histologia, bioquímica, análise de RNA-seq e proteômica, proporcionou uma compreensão dos efeitos da microgravidade e H2O2 nas plantas de cana-de-açúcar. Destaca mudanças interessantes na organização estrutural dos tecidos, acúmulo de lignina e nos níveis de H2O2 e EROs. Consequentemente, esta pesquisa foi fundamental para identificar genes/proteínas distintos expressos de maneira única em cada tecido e as vias metabólicas ativadas nas raízes e folhas. Observa-se respostas variadas das plantas de cana-de-açúcar às condições de gravidade alterada durante o voo do foguete de sondagem VSB-30 e à exposição a diferentes concentrações de H2O2. O estudo revela uma rede complexa de genes e vias metabólicas ativadas em resposta ao estresse oxidativo, desempenhando assim um papel fundamental no desencadeamento de mecanismos de defesa e tolerância. Os dados gerados melhoram significativamente nossa compreensão das respostas das plantas às condições adversas analisadas, destacando estratégias adaptativas específicas empregadas. Além disso, os resultados obtidos ressaltam o papel importante do H2O2 nas respostas adaptativas e de sobrevivência, assim como a versatilidade do fitormônio ácido abscísico (ABA) na mediação da sinalização entre raízes e folhas. Essas percepções são inestimáveis para o desenvolvimento de estratégias de melhoramento genético e otimização de práticas de cultivo para aprimorar o desempenho da planta em condições ambientais variáveis. | pt_BR |
dc.description.sponsorship | Fundação Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES | pt_BR |
dc.description.sponsorship | Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq | pt_BR |
dc.identifier.citation | SILVA, Lucas Felipe da. Abordagens de Bioinformática aplicadas na análise de dados gerados por estresse abiótico em cana-de-açúcar: microgravidade e peróxido de hidrogênio. Orientadora: Dra. Kátia Castanho Scortecci. 2024. 119f. Tese (Doutorado em Bioinformática) - Instituto Metrópole Digital, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2024. | pt_BR |
dc.identifier.uri | https://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/58814 | |
dc.language | pt_BR | pt_BR |
dc.publisher | Universidade Federal do Rio Grande do Norte | pt_BR |
dc.publisher.country | Brasil | pt_BR |
dc.publisher.initials | UFRN | pt_BR |
dc.publisher.program | PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM BIOINFORMÁTICA | pt_BR |
dc.rights | Acesso Aberto | pt_BR |
dc.subject | Transcriptômica | pt_BR |
dc.subject | Proteômica | pt_BR |
dc.subject | Mudança gravitacional | pt_BR |
dc.subject | Foguete de sondagem VSB-30 | pt_BR |
dc.subject | Vias metabólicas | pt_BR |
dc.subject | RNA-seq | pt_BR |
dc.subject.cnpq | CNPQ::CIENCIAS BIOLOGICAS | pt_BR |
dc.title | Abordagens de Bioinformática aplicadas na análise de dados gerados por estresse abiótico em cana-de-açúcar: microgravidade e peróxido de hidrogênio | pt_BR |
dc.type | doctoralThesis | pt_BR |
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