A identificação de genes alvos, vias de sinalização e vias metabólicas para melhoramento de cana-de-açúcar associados a características de interesse, ainda são pouco conhecidos e estudados. Alguns estudos do transcriptoma através de plataformas de microarranjo têm buscado identificar listas de genes, para experimentos tecido- específico ou submetidos a condições de estresse bióticos e abióticos. Estudos pontuais destes dados tem sido associados a vias metabólicas ou vias de sinalização já descritas na literatura, de forma a identificar alterações relacionadas a padrões de expressão gênica. Porém, estas relações em cana-de-açúcar são pouco conhecidas e estudadas. O estudo e entendimento de cana-de-açúcar por meio da diversidade genética e de sua adaptação ao ambiente é um grande desafio, principalmente pela ausência de um genoma sequenciado e por possuir um genoma complexo. Apresentamos nossos resultados para tentar superar tais limitações e desafios para estudos de expressão gênica. Foram desenvolvidas metodologias para anotação funcional do transcriptoma, centradas na transferência de anotação, identificação de vias metabólicas e enzimas pelo método de similaridade bi-direcional, predição de genes full-length, análises de ortologia e desenho de oligonucleotídeos para microarranjos customizados, resultando no ORFeoma de cana-de-açúcar, na identificação e classificação de famílias de fatores de transcrição e identificação de genes ortólogos entre gramíneas. Além disso, desenvolvemos uma plataforma para processamento e análise automatizada de experimentos por microarranjo, para armazenamento, recuperação e integração com a anotação funcional. Adicionalmente desenvolvemos e implementamos métodos para seleção de genes diferencialmente e significativamente expressos, e abordagens para análise de enriquecimento de categorias, e escores de atividade de vias metabólicas. De forma a integrar a anotação funcional do transcriptoma aos estudos por expressão gênica, desenvolvemos a plataforma CaneRegNet e uma interface para integração desta rede de dados biológicos e conhecimentos, composta por aplicativos para consulta e prospecção de dados por análises de agrupamento e correlação entre experimentos de microarranjo, possibilitando a geração de novas hipóteses e predições dentro da organização da regulação celular. / The identification of target genes, metabolic and signaling pathways associated with characteristics of interest to the sugarcane improvement are still poorly known and studied. Some transcritptome studies through microarray platforms has tried to identify lists of genes, for tissue-specific experiments or subjected to conditions of biotic and abiotic stress. In the literature specific studies of these data has already been associated with metabolic or signaling pathway, in order to identify changes in these tracks related to patterns of gene expression. However, these relations are still little know and generally defined slightly. The study and understanding of sugarcane by means of genetic diversity and its adaptation to the environment is a major challenge, mainly due to the absence of a sequenced genome and by your complex genome. We present our results to surpass this barrier e challenges for the study of gene expression. Methodologies were developed for the transcriptome functional annotation, focused on the annotation transfer, identification of metabolic pathways and enzymes by the bi- directional method; prediction of full-length genes; ortology analysis and probe design for customized microarrays, resulting in the sugarcane ORFeome, the identification and classification of transcription factor families and identification of ortholog genes between grasses. Besides that, we have developed a plataform for automated processing and analysis for microarray experiments, to store, retrieve and integration with the functional annotation. Additionally, we have developed and implemented methods for identification of differentially and significantly expressed genes, and approaches for over-represented analysis and functional class scoring (FCS). To integrate the functional annotation and the studies by gene expression profile, we have developed the CaneRegNet platform and an interface to integrate this network of biological data and knowledge, composed by searching and data mining tools for clustering and correlations between microarray experiments, enabling the generation of new hypothesis and predictions around the organization of cellular regulation.

O Brasil é o maior produtor mundial de maracujá azedo (Passiflora edulis f. flavicarpa) sendo esta a espécie de maior expressão comercial dentre as passifloras cultivadas. A bacteriose do maracujazeiro, causada por Xanthomonas axonopodis pv. passiflorae (Xap), é uma das doenças mais severas da cultura, acarretando grandes prejuízos aos produtores. Atualmente, é incipiente o conhecimento sobre a interação maracujá azedo-Xap. Diante disso, a identificação e a caracterização dos genes envolvidos no processo de defesa são passos importantes para dar suporte ao desenvolvimento de variedades resistentes. Assim, o objetivo deste trabalho foi identificar e caracterizar genes de maracujá azedo diferencialmente expressos durante a resposta de defesa à Xap, bem como mensurar a sua expressão. Para isso, foram construídas duas bibliotecas subtrativas de cDNA (forward e reverse) usando o método SSH a partir de transcritos de folhas, que foram inoculadas com o patógeno ou solução salina (controle). Após o sequenciamento dos clones, o processamento e a montagem das sequências, as unisequências foram anotadas através da Plataforma PLAZA e do programa computacional Blast2GO. Genes envolvidos em diversos processos biológicos foram selecionados para a validação das bibliotecas por PCR quantitativo. Usando a Plataforma PLAZA, 78 % (764) das unisequências mostraram similaridade com proteínas de Arabidopsis thaliana, enquanto 87 % (866) delas apresentaram similaridade com proteínas putativas de diversas espécies vegetais, quando se utilizou Blast2GO. Na biblioteca forward, foram identificadas 73 proteínas relacionadas à resposta de defesa, dentre as quais estão proteínas envolvidas na sinalização intracelular, na ativação da transcrição e regulação da expressão de genes de defesa, bem como proteínas de defesa, de resistência e relacionadas à patogênese (PRs). Dentre os 22 transcritos validados, 95 % foram diferencialmente expressos em pelo menos um dos três períodos avaliados; os genes mais expressos em resposta à infecção pelo patógeno são os que codificam as enzimas lipoxigenase, (+)-neomentol desidrogenase e quitinase, as quais participam diretamente nas respostas de defesa vegetal. Dos genes cuja expressão foi mais reprimida, dois codificam proteínas relacionadas à fotossíntese e dois codificam proteínas envolvidas na detoxificação da amônia e do H2O2. Nossos resultados sugerem que a planta utiliza um arsenal de transcritos para responder à infecção; entretanto, este arsenal não é eficiente para impedir a ação do patógeno e, consequentemente, o desenvolvimento da bacteriose nas condições estudadas. Nosso estudo é inédito e gerou informações sobre a reprogramação transcricional durante a interação maracujá azedo-Xap, o que constitui um importante passo para o melhor entendimento sobre este patossistema. / Brazil is the main producer of yellow passion fruit (Passiflora edulis f. flavicarpa) worldwide, which is the most widely commercialized crop among the cultivated passifloras. The bacterial leaf spot induced by Xanthomonas axonopodis pv. passiflorae (Xap) is one of the most severe diseases of the crop, causing great losses to producers. Currently, we understand very little about the yellow passion fruit-Xap interaction. Therefore, the identification and characterization of genes involved in the defense process are important steps to support the development of resistant varieties. Thus, the objective of this study was identify and characterize differentially expressed genes during the defense response to Xap, as well as to measure their expression. For that, we constructed two subtractive cDNA libraries (the forward and the reverse) by performing the SSH method from leaf transcripts, which were inoculated with the pathogen or saline solution (control). After sequencing the clones and sequence data processing, sequences were assembled into unique sequences, which were annotated using the PLAZA Platform and the computational program Blast2GO. Genes involved in several biological processes were selected to validate the libraries by quantitative PCR. When PLAZA was used for sequence similarity searches, 78 % (764) of the yellow passion fruit unique sequences showed similarity to proteins of Arabidopsis thaliana; when Blast2GO was used, 87 % (866) of the unique sequences showed similarities to putative proteins of several plant species. For the forward library, 73 proteins related to defense response were identified, such as those involved in intracellular signaling, transcription activation and regulation of defense gene expression, as well as defense and resistance proteins, and pathogenesis-related proteins (PRs). Of the 22 validated transcripts, 95 % were differentially expressed during at least one of the three periods evaluated; the genes up-regulated in response to the pathogen infection were those that code for the enzymes lipoxygenase, (+)-neomenthol dehydrogenase and chitinase, which participate directly in plant-defense responses. Out of down-regulated genes, two code for photosynthesis-related proteins, and two for ammonia and H2O2 detoxification. Our results suggest the plant uses an arsenal of transcripts to respond to infection; however, this arsenal is not effective to prevent pathogen action and consequently the occurrence of bacterial leaf spot under the evaluated conditions. The present study is the first to produce information on the transcriptional reprogramming during the passion fruit-Xap interaction, which represents an important step for a better understanding of this pathosystem.

O Brasil é o maior produtor mundial de maracujá azedo (Passiflora edulis f. flavicarpa) sendo esta a espécie de maior expressão comercial dentre as passifloras cultivadas. A bacteriose do maracujazeiro, causada por Xanthomonas axonopodis pv. passiflorae (Xap), é uma das doenças mais severas da cultura, acarretando grandes prejuízos aos produtores. Atualmente, é incipiente o conhecimento sobre a interação maracujá azedo-Xap. Diante disso, a identificação e a caracterização dos genes envolvidos no processo de defesa são passos importantes para dar suporte ao desenvolvimento de variedades resistentes. Assim, o objetivo deste trabalho foi identificar e caracterizar genes de maracujá azedo diferencialmente expressos durante a resposta de defesa à Xap, bem como mensurar a sua expressão. Para isso, foram construídas duas bibliotecas subtrativas de cDNA (forward e reverse) usando o método SSH a partir de transcritos de folhas, que foram inoculadas com o patógeno ou solução salina (controle). Após o sequenciamento dos clones, o processamento e a montagem das sequências, as unisequências foram anotadas através da Plataforma PLAZA e do programa computacional Blast2GO. Genes envolvidos em diversos processos biológicos foram selecionados para a validação das bibliotecas por PCR quantitativo. Usando a Plataforma PLAZA, 78 % (764) das unisequências mostraram similaridade com proteínas de Arabidopsis thaliana, enquanto 87 % (866) delas apresentaram similaridade com proteínas putativas de diversas espécies vegetais, quando se utilizou Blast2GO. Na biblioteca forward, foram identificadas 73 proteínas relacionadas à resposta de defesa, dentre as quais estão proteínas envolvidas na sinalização intracelular, na ativação da transcrição e regulação da expressão de genes de defesa, bem como proteínas de defesa, de resistência e relacionadas à patogênese (PRs). Dentre os 22 transcritos validados, 95 % foram diferencialmente expressos em pelo menos um dos três períodos avaliados; os genes mais expressos em resposta à infecção pelo patógeno são os que codificam as enzimas lipoxigenase, (+)-neomentol desidrogenase e quitinase, as quais participam diretamente nas respostas de defesa vegetal. Dos genes cuja expressão foi mais reprimida, dois codificam proteínas relacionadas à fotossíntese e dois codificam proteínas envolvidas na detoxificação da amônia e do H2O2. Nossos resultados sugerem que a planta utiliza um arsenal de transcritos para responder à infecção; entretanto, este arsenal não é eficiente para impedir a ação do patógeno e, consequentemente, o desenvolvimento da bacteriose nas condições estudadas. Nosso estudo é inédito e gerou informações sobre a reprogramação transcricional durante a interação maracujá azedo-Xap, o que constitui um importante passo para o melhor entendimento sobre este patossistema. / Brazil is the main producer of yellow passion fruit (Passiflora edulis f. flavicarpa) worldwide, which is the most widely commercialized crop among the cultivated passifloras. The bacterial leaf spot induced by Xanthomonas axonopodis pv. passiflorae (Xap) is one of the most severe diseases of the crop, causing great losses to producers. Currently, we understand very little about the yellow passion fruit-Xap interaction. Therefore, the identification and characterization of genes involved in the defense process are important steps to support the development of resistant varieties. Thus, the objective of this study was identify and characterize differentially expressed genes during the defense response to Xap, as well as to measure their expression. For that, we constructed two subtractive cDNA libraries (the forward and the reverse) by performing the SSH method from leaf transcripts, which were inoculated with the pathogen or saline solution (control). After sequencing the clones and sequence data processing, sequences were assembled into unique sequences, which were annotated using the PLAZA Platform and the computational program Blast2GO. Genes involved in several biological processes were selected to validate the libraries by quantitative PCR. When PLAZA was used for sequence similarity searches, 78 % (764) of the yellow passion fruit unique sequences showed similarity to proteins of Arabidopsis thaliana; when Blast2GO was used, 87 % (866) of the unique sequences showed similarities to putative proteins of several plant species. For the forward library, 73 proteins related to defense response were identified, such as those involved in intracellular signaling, transcription activation and regulation of defense gene expression, as well as defense and resistance proteins, and pathogenesis-related proteins (PRs). Of the 22 validated transcripts, 95 % were differentially expressed during at least one of the three periods evaluated; the genes up-regulated in response to the pathogen infection were those that code for the enzymes lipoxygenase, (+)-neomenthol dehydrogenase and chitinase, which participate directly in plant-defense responses. Out of down-regulated genes, two code for photosynthesis-related proteins, and two for ammonia and H2O2 detoxification. Our results suggest the plant uses an arsenal of transcripts to respond to infection; however, this arsenal is not effective to prevent pathogen action and consequently the occurrence of bacterial leaf spot under the evaluated conditions. The present study is the first to produce information on the transcriptional reprogramming during the passion fruit-Xap interaction, which represents an important step for a better understanding of this pathosystem.

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No. of bitstreams: 1 viniciuscariusdesouza.pdf: 3785363 bytes, checksum: 7063d6c5f5cef353643903ad5f125c48 (MD5) Previous issue date: 2016-03-03 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / FAPEMIG - Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais / Lippia alba, popularmente conhecida por erva-cidreira, é uma espécie vegetal amplamente distribuída pelas Américas e encontrada praticamente em todo o território brasileiro. Esta espécie possui importante uso na medicina tradicional para o tratamento de cólicas, indigestão, náuseas, espasmos, diarreia, disenteria, doenças respiratórias, problemas hepáticos e no tratamento de sífilis e gonorreia. As folhas de L. alba, as quais são preparadas sob a forma de infusão ou decocção e ingeridas por via oral, produzem um óleo essencial rico em moléculas iso-prenóides denominadas terpenóides. Estes compostos não são apenas de interesse farmacológico, mas também industrial já que são usados na confecção de fragrâncias. A composição dos óleos essenciais pode variar em função de diferentes fatores abióticos e genotípicos, como por exemplo nível de ploidia. Neste contexto, os objetivos deste trabalho foram caracterizar o transcriptoma de folha da espécie L. alba e buscar sequencias putativas de enzimas envolvidas na produção de metabólitos secundários. O transcriptoma foi sequenciado pela plataforma Miseq (Illumina) com bibliotecas pairedend de 300 bp. O sequenciamento resultou em um total de 47.498.310 reads paired-end (23.749.155 reads para cada end sequenciado) de 35-308 bp, compreendendo 12.148.327.567 nucleotídeos (-12 Gb). A montagem de novo dos transcritos foi processada a partir do software Trinity que gerou 193.532 transcritos, sendo 128.209 unigenes, com o valor de N50 igual a 1.187 bp. Um total de 86.122 ORF (Open Read Frame) foi obtido e a seguir submetido ao algoritmo de alinhamentos BlastP, o qual encontrou 75.533 sequências com referência no banco de dados NR (Non-Redundant) de proteínas. Aproxima-damente, 78,4% dessas sequências foram anotadas funcionalmente a partir do pipeline utiliza-do pelo software Blast2GO. As análises das sequências anotadas revelaram prováveis enzimas para síntese de terpenóides como geraniol e linalol/nerolidol. Para validação da montagem e anotação, foram realizados ensaios de qPCR para amplificação de sequências de 13 genes para controles endógenos e 4 genes de terpeno sintases. Os resultados obtidos aqui corroboram outros estudos de transcriptoma de espécies não modelo usando tecnologias de sequenciamento de alto-desempenho. / Lippia alba, popularly known as erva-cidreira, is a widely distributed specie in Americas and it is found throughout Brazil. This specie has important using in popular medicine for cramp-ing, indigestion, nausea, diarrhea, dysentery, respiratory diseases, liver disorders treatment and infectious diseases such as syphilis and gonorrhea. The leaves of L. alba, which are pre-pared by infusion or decoction and orally ingested, producing an essential oil rich in terpene compounds. These compounds are of pharmacological and industrial interest, due to their use in fragrance preparation. Interestingly, the composition of essential oils change according to different abiotic factors and genetic variations such as ploidy level. In this context, the aims of this work were to characterize the transcriptome of leaves of L. alba (linalool chemotype) and to search putative enzymes sequences involved in production of secondary metabolites. The transcriptome was sequenced by Miseq platform (Illumina) running pair-end libraries 300 bp. The sequencing resulted in 47,498,310 reads (23,749,155 reads for each end sequenced) of 35-308 bp, comprising 12,148,327,567 nucleotides (-12 Gb). The de novo assembly of tran-scripts was processed by Trinity software and generated 193,532 transcripts, in 128,209 uni-genes, with N50 equal to 1,187 bp. 86,122 ORFs (Open Read Frame) were obtained and sub-mitted to BlastP algorithm, finding 75,533 sequences included in NR (Non-Redundant) pro-tein database. Approximately 78.4% of these sequences were functionally annotated using Blast2Go pipeline. Analysis of annotated sequences revealed putative enzymes for synthesis of terpenoids such as geraniol and linalool/nerolidol. For assembly and annotation validation, qPCR assay were realized by amplification of 13 endogenous control genes and 4 terpene synthases genes. The results found here corroborate transcriptome studies in non-model or-ganisms using high-performance sequencing technologies.

The Transcription Start Site Associated non-coding RNAs (TSSaRNAs) have been predicted across the three domain of life. However, still, there are no reliable annotation efforts to identify their biological functions and their underline molecular machinery. Therefore, this project addresses the question of what are the potential functions of TSSaRNAs regarding their roles in addressing the cellular functions. To answer this question, we aimed to accurately identify TSSaRNAs in the model organism Halobacterium salinarum NRC-1 (an Archean microorganism) that incubated at the standard growth condition. Consequently, we aimed to investigate TSSaRNAs structural stability in the term of the thermodynamic energies. Moreover, we attempted to functionally annotate TSSaRNAs based on Rfam functional classification of non-coding RNAs. Based on the statistical approach we developed an algorithm to predict TSSaRNA using next-generation RNA sequencing data (RNA-Seq). To perform structural annotation of TSSaRNAs, we investigated the structural stability of TSSaRNAs by modeling the secondary structures by minimizing the thermodynamic free energy. We simulated TSSaRNAs tertiary structures based on the secondary structures constrain using the Rosetta-Common RNA tool. The structures of the minimum free energy supposed to be biophysically stable structures. To investigate the higher order structures of TSSaRNAs, we studied the hybridization between TSSaRNAs and their cognate genes as part of RNA based regulation system. Also, based on our hypothesis that TSSaRNAs may bind to protein to trigger their function, we have investigated the interaction between TSSaRNAs and Lsm protein which known as a chaperone protein that mediates RNA function and involved in RNA processing. Our pipeline to perform the functional annotation of TSSaRNAs aimed to classify TSSaRNAs into their corresponding Rfam families based on two steps: either through querying TSSaRNAs sequences against the co-variance models of Rfam families or by querying the Rfam sequences against the co-variance models of the consensus secondary structures in TSSaRNAs. The results showed that the prediction algorithm has succeeded to identify a total of 224 TSSaRNAs that expressed in the same strand of the mRNAs and 58 TSSaRNAs that expressed as antisense of the mRNAs. The identified TSSaRNAs molecules showed a median length of 25 nucleotides. Regarding the structural annotation of TSSaRNAs, the results showed that most of TSSaRNAs possessed thermodynamically stable secondary structures and their tertiary structures were capable of forming more complex structures through binding with other biomolecules. About the formation of higher-order structures, we have observed that most of TSSaRNAs (92.2%) were capable of hybridizing into their cognate genes also 55 TSSaRNAs indicated putative interactions with Lsm protein. Furthermore, the computation docking experiments demonstrated the TSSaRNAs-Lsm complexes associated with favorable binding energy of a median of -542900 kcal mole -¹. Regarding the functional annotation of TSSaRNAs, the results showed that the majority of TSSaRNAs (42.05%) considered as potential cis-acting regulators such as cis-regulatory element and sRNAs, but still, there are potential trans-acting regulators to regulate distant molecules such as CRISPR and antisense RNA. Moreover, the results indicated that TSSaRNAs could trigger more complex function as a catalytic function such as Riboswitch or to play a role in the defense against a virus such as CRISPR. As a conclusion; based on the results of this study we could state that TSSaRNAs have several potential functions opening the experimental validation perspective. / Os RNA não codificantes associados ao sítio de início da transcrição - em inglês, transcription start site associated non-coding RNAs (TSSaRNA) - foram observados nos três domínios da vida. No entanto, sem esforço confiável de anotação para identificar suas funções biológicas e seus mecanismos moleculares. Portanto, esse projeto levanta a questão de quais são as funções em potencial dos TSSaRNAs a respeito de seus papeis nas funções celulares. Para responder esta questão, nós objetivamos em identificar de forma eficaz os TSSaRNAs no organismo modelo Halobacterium salinarum NRC-1 (um microrganismo do domínio Arqueia) encubado em uma condição de crescimento padrão. Consequentemente, nós investigamos a estabilidade estrutural dos TSSaRNAs em relação a energias termodinâmicas. Ainda, fizemos a anotação funcional dos TSSaRNAs baseado na classificação funcional Rfam dos RNAs não-codificantes. Baseada em uma abordagem estatística nós desenvolvemos um algoritmo para predizer TSSaRNA usando dados de sequenciamento de RNA de nova geração (RNA-Seq). Para investigar a estabilidade estrutural dos TSSaRNAs nós modelamos as estruturas secundárias minimizando a energia livre termodinâmica para alcançar a estrutura mais estável biofisicamente. Nós simulamos estruturas terciárias de TSSaRNAs baseado nas restrições das estruturas secundárias usando a ferramenta Rosetta-Common RNA. As estruturas de energia livre mínima seriam supostamente estruturas estáveis biofisicamente. Para investigar as estruturas de ordem superior (quaternária) dos TSSaRNAs, nós estudamos a hibridização entre os TSSaRNAs e seus genes cognatos como parte de um possível sistema de regulação baseado em RNA. Ainda, baseada na hipótese que os TSSaRNAs podem ligar à proteína para habilitar sua função, nós investigamos a interação entre TSSaRNAs e proteína Lsm que é conhecida por ser uma proteína chaperone que media função do RNA e está envolvida no processamento do RNA. Nosso pipeline para executar a anotação funcional dos TSSaRNAs objetivou classificar as TSSaRNAs em suas correspondentes classes Rfam baseado em dois passos: por meio de consulta das sequências TSSaRNA em relação a modelos de covariância de famílias Rfam ou por consulta de sequências Rfam em relação a modelos de covariância das estruturas de secundárias de consenso das estruturas secundárias nos TSSaRNAs. Os resultados mostraram que o algoritmo de detecção teve sucesso em identificar um total de 224 TSSaRNAs que expressaram na mesma direção dos mRNAs e 58 TSSaRNAs que expressaram no sentido oposto (antisenso) dos mRNAs. As moléculas TSSaRNAs identificadas mostraram um comprimento mediano de 25 nucleotídeos. A respeito da anotação estrutural dos TSSaRNAs, os resultados mostraram que a maioria dos TSSaRNAs possuíam estruturas secundárias estáveis termodinamicamente e suas estruturas terciárias foram capazes de formar estruturas mais complexas por meio de vínculos com outras biomoléculas. Quanto à formação de estruturas de maior de estruturas de alta ordem nos observamos que a maioria dos TSSaRNAs (92.2%) são capazes, pelo menos em princípio, de hibridizar em seus genes cognatos e, também, 55 TSSaRNAs evidenciaram interagir com a proteína Lsm. Além disso, os experimentos computacionais de docking demonstratam os complexos TSSaRNAs-Lsm associados com energia de ligação favorável com uma média de - 542900 kcal mole -¹. Quanto à anotação funcional dos TSSaRNAs, os resultados mostraram que a maioria dos TSSaRNAs (42.05%) podem ser consideradas potenciais reguladores atuando em cis tais como elemento cis-regulamentar e sRNAs, mas ainda há pontenciais reguladores atuando em trans para regular moléculas em loci distantes, tais como CRISPR e RNA antisense. Além disso, os resultados mostraram que TSSaRNAs podem potencialmente ativar funções mais complexas como uma função catalítica, tal como Riboswitch ou executar um papel de defesa contra vírus, tal como CRISPR. Como conclusão; baseado nos resultados desse estudo, nós podemos afirmar que TSSaRNAs possuem várias funções em potencial abrindo a perspecitiva de validação experimental.