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