O ataque de insetos herbívoros induz a emissão de voláteis pelas plantas que constituem sinais químicos importantes para os inimigos naturais em busca do hospedeiro/presa. Essas interações tritróficas mediadas pelos voláteis das plantas têm sido bem estudadas em sistemas que envolvem parasitóides larvais. Por outro lado, pouco se sabe a respeito do papel desses odores na localização hospedeira dos parasitóides de ovos. Dessa maneira, o presente estudo teve como objetivos: (i) avaliar o parasitismo, a preferência e o arrestamento de ovos de Spodoptera frugiperda (J.E. Smith) (Lepidoptera: Noctuidae) de diferentes idades para o parasitóide Telenomus remus Nixon (Hymenoptera: Scelionidae); (ii) verificar se ocorre a indução de voláteis induzidos pela oviposição de S. frugiperda na planta de milho atraentes ao parasitóide T. remus; (iii) avaliar o papel dos voláteis induzidos pela herbivoria de S. frugiperda no comportamento do parasitóide especialista T. remus e generalista Trichogramma pretiosum Riley (Hymenoptera: Trichogrammatidae); e (iv) verificar se a oviposição de S. frugiperda altera as defesas diretas e indiretas induzidas pela herbivoria no milho. Os resultados desse trabalho mostraram que T. remus teve preferência em parasitar ovos de 1 e 2 dias de idade em relação aos 3 dias. Entretanto, a emergência dos parasitóides foi reduzida em ovos de 2 e 3 dias. Todos os extratos hexânicos dos ovos exerceram efeito arrestante sobre T. remus em relação ao solvente, porém o tempo de permanência dos parasitóides foi maior em extratos de ovos de 1 e 2 dias em comparação ao de 3 dias. De acordo com esses resultados, foi avaliado se a planta de milho emite voláteis induzidos pela oviposição de S. frugiperda atraentes ao parasitóide T. remus nos intervalos 1, 2 e 3 dias. Os bioensaios comportamentais e a coleta de voláteis não mostraram que ocorre a indução de voláteis induzidos pela oviposição atraentes ao parasitóide, mas que a oviposição promoveu a supressão da emissão do linalol. Já os voláteis induzidos pela herbivoria do S. frugiperda constituem pistas químicas importantes para os parasitóides de ovos. O parasitóide especialista T. remus não apresentou o comportamento inato de atração pelos voláteis, porém, após a experiência com os mesmos, T. remus passou a ser atraído tanto por misturas compostas majoritariamente por voláteis de folhas verdes (VFVs), que são emitidas logo após o dano; como por misturas mais complexas, compostas por terpenos, emitidas algumas horas após a indução. Já T. pretiosum apresentou um comportamento de atração inato pelos VFVs, embora seja também capaz de aprender misturas compostas por terpenos. A oviposição de S. frugiperda não alterou as defesas diretas do milho, avaliadas pelo peso da lagarta alimentada na planta, porém, provocou a diminuição da liberação de terpenos induzidos pela herbivoria. Os resultados desse trabalho sugerem que a oviposição do herbívoro pode ter implicações relevantes nas interações tritróficas, pois promovem a supressão de voláteis do milho. Além disso, os voláteis induzidos pela herbivoria desempenham um papel importante no comportamento de parasitóides de ovos. / Attack of insect herbivores induces emission of plant volatiles that play an important role as chemical signals to natural enemies in host search. Tritrophic interactions mediated by plant volatiles have been well studied in systems that involve larval parasitoids. By contrast, little is known about the role of these odors in host searching by egg parasitoids. Thus, the current study aimed to: (i) assess parasitism, preference and arrestment of Spodoptera frugiperda (J.E. Smith) (Lepidoptera: Noctuidae) eggs with different ages to the parasitoid Telenomus remus Nixon (Hymenoptera: Scelionidae); (ii) verify if S. frugiperda oviposition induces attractive maize volatiles to the parasitoid T. remus; (iii) assess the role of herbivore-induced maize volatiles elicited by S. frugiperda to the specialist parasitoid T. remus and the generalist Trichogramma pretiosum Riley (Hymenoptera: Trichogrammatidae); and (iv) verify if S. frugiperda oviposition alters direct and indirect herbivore-induced defenses on maize. Results showed that T. remus preferred to parasitize 1- and 2-day-old eggs in relation to 3-day-old. However, parasitoid emergence was reduced in 2- and 3-day-old eggs. All hexanic egg extracts promoted arrestment response for T. remus when compared to the solvent, although residence time was longer in 1- and 2-day old egg extracts in comparison with 3-day old. In view of these results, it was assessed if maize plant emits attractive oviposition-induced volatiles elicited by S. frugiperda to the egg parasitoid T. remus. Behavioral bioassays and volatile collection did not show that maize emits oviposition-induced volatiles elicited by S. frugiperda that are attractive to T. remus. Surprisingly, oviposition suppressed the emission of linalool. Hebivore-induced maize volatiles comprise important chemical cues for egg parasitoids. Specialist parasitoid T. remus was not innately attracted by herbivore-induced volatiles, though experienced wasps responded to blends comprised predominantly by green leaf volatiles (GLVs), which are emitted immediately after damage, or to more complex blends comprised by terpenes, emitted some hours after damage. While T. pretiosum showed an innate behavior towards VFVs, but wasps were also able to learn terpene blend. Oviposition of S. frugiperda did not alter direct defenses on maize, which were assessed by larval weight fed on the plant, however, it decreased emissions of herbivore-induced terpenes. These results suggest that herbivore oviposition can have relevant considerations in tritrophic interactions and herbivore-induced volatiles play an important role in egg parasitoid behavior.

Os inibidores inibidores de serino proteinases do tipo Bowman-Birk (BBI) possuem dois sítios ativos e são encontrados em plantas das famílias Fabaceae e Poaceae. Neste trabalho foi apresentada a estrutura primária e o padrão de expressão de 14 seqüências expressas (EST, expressed sequence tags) de BBI putativos encontradas no banco de dados do "Projeto Transcriptoma da Cana-de-açúcar" (SUCEST). Estas quatorze seqüências foram utilizadas em conjunto com outras 87 seqüências de BBI previamente descritas e depositadas no banco de dados "GenBank" para a construção de árvores filogenéticas da família BBI. A análise filogenética mostrou que os BBI de monocotiledôneas e dicotiledôneas podem ser claramente separados em diferentes grupos e a topologia das árvores filogenéticas sugere um padrão evolutivo diferente das famílias de BBI em plantas. Os inibidores de dicotiledôneas são bem conservados e acumularam diferenças sutis durante a evolução. Em contrapartida, os inibidores de monocotiledôneas são altamente variáveis, indicando a ocorrência de um processo evolutivo interessante, baseado em eventos de duplicação intragênica e mutação. Dois inibidores de serino proteinases, um de tripsina e outro de quimotripsina, derivados do gene que codifica o inibidor Bowman-Birk de soja, foram expressos na superfície do fago filamentoso M13 e utilizados para a construção de bibliotecas de variantes. Para tal foram feitas mutações em quatro aminoácidos do sítio ativo destes inibidores e duas bibliotecas de expressão na superfície de fagos filamentosos foram construídas. Posteriormente, estas bibliotecas foram utilizadas para a seleção de variantes que melhor interagiam com a tripsina bovina e de Diatraea saccharalis e com as enzimas digestivas presentes no extrato intestinal desta praga. Os variantes selecionados foram seqüenciados, analisados e caracterizados. Os resultados mostraram que a técnica de expressão na superfície de fagos filamentosos foi eficiente para selecionar novos inibidores. Além disto, com as mutações realizadas, foi possível transformar a alça de inibição de quimotripsina em uma alça de inibição de tripsina. / The Bowman-Birk inhibitors (BBIs) are double headed inhibitors of serine proteinase found in plants from Fabaceae and Poaceae families. We describe the primary structure and the gene expression profile of 14 putative BBIs from the sugarcane expressed sequence tag (SUCEST) database and show how we used these newly discovered sequences together with 87 previously described BBI sequences from the "GenBank" database to construct phylogenetic trees for the BBI family. Phylogenetic analysis revealed that BBI-type inhibitors from monocotyledonous and dicotyledonous plants could be clearly separated into different groups, while the overall topology of the BBI tree suggests a different pattern of evolution for BBI families in flowering plants. We also found that BBI proteinase inhibitors from dicotyledonous plants were well conserved, accumulating only slight differences during their evolution. In addition, we found that BBIs from monocotyledonous plants were highly variable, indicating an interesting process of evolution based on internal gene duplications and mutation events. Two serine-type proteinase inhibitors, a trypsin and a chymotrypsin, both derived from the soybean Bowman-Birk inhibitor, were expressed on the surface of a filamentous phage. Site mutations were made in four positions of the reactive sites of these inhibitors and two phage-display libraries were constructed. Later, these libraries were used to select better ligands to the bovine and Diatraea saccharalis trypsin and to the midgut enzymes of this insect pest. The selected variants were sequenced, analyzed and characterized. The results showed that the phage-display technique is efficient to select new proteinase inhibitors. Furthermore, it was possible to modify the chymotrypsin loop into a trypsin loop using the library constructed by the insertion of a degenerated primer.

Orientador: Maria Lígia Rodrigues Macedo / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia / Made available in DSpace on 2018-08-25T23:07:55Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Silva_DesireeSoaresda_D.pdf: 3168437 bytes, checksum: b863b3429e08cd7ff7926b540a4d69b5 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: Inibidores de peptidases (IPs) são proteínas vegetais envolvidas nos mecanismos de defesa contra herbívoros e patógenos. São considerados agentes antimetabólicos, uma vez que sua presença na dieta de insetos compromete seu desenvolvimento normal. Este efeito se dá através da formação de complexos entre os IPs e as enzimas digestivas, comprometendo assim o processo digestivo dos insetos. Neste trabalho, investigamos efeitos do inibidor de tripsina de sementes de Adenanthera pavonina (ApTI) sobre o desenvolvimento de dois insetos-praga, a broca-da-cana (Diatraea saccharalis) e a lagarta-do-cartucho (Spodoptera frugiperda). Bioensaios, estudos bioquímicos e de proteômica, foram realizados a fim de determinar o efeito de ApTI sobre o desenvolvimento destes insetos. A exposição aguda de larvas de D. saccharalis ao ApTI diminuiu a atividade das tripsinas e quimotripsinas em 87% e 63%, respectivamente. ApTI afetou o desenvolvimento deste inseto como observado através da diminuição na viabilidade larval (55%) e pupal (20,6%). Larvas oriundas da geração F1 apresentaram efeitos similares aos observados na geração F0, como redução no peso (23%) e na taxa de sobrevivência (33%). Análises bioquímicas revelaram que o inibidor foi refratário à digestão pelas peptidases de D. saccharalis e que o perfil de enzimas digestivas permaneceu sensível à inibição por quantidades crescentes de ApTI. Entretanto, não foi possível realizar a identificação das proteínas do intestino desta lagarta por espectrometria de massas. Larvas de S. frugiperda foram criadas em dieta contendo 0,5% de ApTI. Ao final dos experimentos, uma redução no peso médio larval de 30% foi observada. Porém, diferentemente dos resultados obtidos para D. saccharalis, as enzimas das larvas alimentadas com ApTI mostraram-se resistentes à inibição, sugerindo que esta espécie adapta-se à dieta contendo inibidor. O sequenciamento das proteínas presentes nos fluidos intestinais de S. frugiperda permitiu a identificação de 41 proteínas. Dentre elas foi possível identificar serinopeptidases do tipo tripsina e quimotripsina, proteínas estruturais, enzimas quinases e fosfatases. Nossos resultados demonstram que são necessários novos estudos para obtenção de mais informações acerca das proteínas presentes no fluido intestinal de S. frugiperda, para correlacionarmos sua expressão diferencial em larvas submetidas a diferentes tratamentos, conhecendo desta maneira um novo indício sobre os mecanismos adaptativos desta espécie contra os IPs / Abstract: Peptidase inhibitors (PIs) are plant proteins involved in defense mechanisms against herbivores and pathogens. They are considered antinutritional compounds, since their presence in insect diet hinder the normal larval development. This effect is due the complexation between PIs and peptidases, affecting the insect digestive process. In this work, we investigated the effects of trypsin inhibitor from Adenanthera pavonina seeds (ApTI) on the development of two pest insects: the sugarcane borer (Diatraea saccharalis) and the fall armyworm (Spodoptera frugiperda). Biochemical and proteomic studies were carried out in order to determine the ApTI effects on the development of these insects. The acute exposure of sugarcane borer to ApTI reduced the trypsin and chymotrypsin activities in 87% and 63%, respectively. The effect of ApTI on development of sugarcane borer was noticed by reduced larval (23%) and pupal viability (33%). Biochemical analysis revealed that the inhibitor was refractory to digestion by D. saccharalis peptidases and the enzymes maintained sensibility to inhibition by increasing amounts of ApTI. However, it was not possible to identify proteins from sugarcane borer gut through mass spectrometry approach. S. frugiperda larvae were reared in artificial diet containing 0.5% ApTI and a reduction in average larval weight of 30% was noticed. But, differently of D. saccharalis, S. frugiperda midgut enzymes became resistant to inhibition by ApTI, showing that this species adapted to ApTI-diet. From the sequencing of S. frugiperda gut fluid proteins we identified 41 proteins. Among them, we identified trypsin and chymotrypsin enzymes, structural proteins and quinases and phosphatases enzymes. Our results demonstrated that further researches are necessary in order to obtain more information about proteins from S. frugiperda gut fluid. The correlation between differential expressed proteins in larvae submitted to different treatments is crucial to reach new indicatives about the adaptive mechanisms this species evolve against PIs / Doutorado / Bioquimica / Doutora em Biologia Funcional e Molecular

Em cana-de-açúcar, a colonização do caule por fungos oportunistas, como Fusarium verticillioides e Colletotrichum falcatum, está diretamente ligada ao ataque da lagarta Diatraea saccharalis (Lepidoptera: Crambidae). Duas proteínas, SUGARWIN1 e SUGARWIN2 são produzidas em cana-de-açúcar, em resposta ao dano mecânico e ao ataque de D. saccharalis, porém estas proteínas não afetam o inseto, e sim ocasionam alterações fisiológicas e morfológicas em F. verticillioides e C. falcatum, ocasionando a morte destes fungos por apoptose. Dietas artificiais suplementadas com estes fungos oportunistas ocasionaram o ganho de peso da D. saccharalis. Esses dados indicam uma interação mais íntima entre o inseto e estes patógenos de cana, sendo que, neste estudo procuramos identificar relações simbióticas entre os indivíduos, analisando se a forma de transmissão desses fungos é mediado pela D. saccharalis. Os resultados mostraram a presença do F. verticillioides em todas as fases de desenvolvimento da D. saccharalis após contato com o fungo, ou seja, depois de se alimentarem em dieta suplementada por F. verticillioides no 4º instar, permaneceram infectadas pelo fungo ao longo de toda a fase pupal e adulta, em ambos os sexos. Além disso, o F. verticillioides foi transmitido para os descendentes de D. saccharalis, sendo que o fungo foi detectado nos ovos, ou seja, um caso original de transmissão vertical. Por meio de microscopia, também foi possível verificar a alta intensidade de F. verticillioides no interior do intestino de lagartas. Estes dados inferem em uma relação simbiótica entre F. verticillioides e D. saccharalis, onde o simbionte é transferido verticalmente para as gerações subsequentes. As respostas obtidas com o fungo C. falcatum diferiram daquelas obtidas com F. verticillioides, uma vez que não se detectou a presença do fungo a partir da fase pupal. Neste caso, a relação de simbiose entre o fungo e o inseto pode resultar em uma transmissão horizontal. Com este estudo foi possível identificar diferentes formas de transmissão por D. saccharalis para dois fungos envolvidos em podridão de colmo em cana-de-açúcar. Estes dados mudam a forma como é vista a transmissão de F. verticillioides por D. saccharalis em cana-de-açúcar, podendo influenciar a forma de manejo da podridão de Fusarium e da broca nos canaviais. / In sugarcane, stem colonization by opportunistic fungi, such as Fusarium verticillioides and Colletotrichum falcatum, is directly linked to the attack of Diatraea saccharalis (Lepidoptera: Crambidae) caterpillar. Two proteins, SUGARWIN1 and SUGARWIN2 are produced in sugarcane, in response to mechanical damage and attack of D. saccharalis, however these proteins do not affect the insect, but cause physiological and morphological changes in F. verticillioides and C. falcatum, causing the death of these fungi by apoptosis. Artificial diets supplemented with these opportunistic fungi caused the weight gain of D. saccharalis. These data indicate a more intimate interaction between the insect and the sugarcane pathogens. In this study, we sought to identify symbiotic relationship among individuals, analyzing whether the transmission of these fungi is mediated by D. saccharalis. The results showed the presence of F. verticillioides in all stages of D. saccharalis development after contact with the fungus, in the 4th instar. The caterpillars remained infect by the fungus throughout the pupal and adult phase, in both sexes. In addition, F. verticillioides was transmitted to D. saccharalis offspring, being detected in eggs, an original case of vertical transmission. Through the microscopy results, it was also possible to verify the high intensity of F. verticillioides inside the intestines of caterpillar. These data infer in a symbiotic relationship between F. verticillioides and D. saccharalis, where the symbiont is transferred vertically to the offspring. The responses obtained with C. falcatum differed from those obtained with F. verticillioides, since the presence of the fungus was not detected from the pupal phase. In this case, the symbiont relationship between fungus and insect can result in a horizontal transmission. With this study was possible to identify different forms of fungi transmission by D. saccharalis. These data change the way the transmission of F. verticillioides by D. saccharalis in sugarcane is viewed, and may influence the management of Fusarium rot and sugarcane borer attack in sugarcane.

Plants respond to insect and pathogen attack by inducing and accumulating a large set of defense proteins. Colonization of sugarcane stalk by opportunistic fungi, such as Fusarium verticillioides and Colletotrichum falcatum, usually occurs after Diatraea saccharalis (Lepidoptera: Cambridae) caterpillars attack increasing the damage caused by the borer. Two homologous of BARWIN protein were identified in sugarcane, SUGARWIN1 and SUGARWIN2. Their gene expression is induced in response to wound and Diatraea saccharalis damage. However, the recombinant SUGARWIN protein does not affect insect development; but promotes significant morphological and physiological changes in Fusarium verticillioides and Colletotrichum falcatum, which lead to fungal cell death via apoptosis, indicating that SUGARWINs may work as a first layer of defense against the fungi infection. In this study, we deepen our understanding of the role of SUGARWINs in plant defense and the molecular mechanisms by which these proteins affect fungi by elucidating their molecular targets. Our results show that SUGARWINs play an important role in plant defense against opportunistic pathogens. We demonstrated that SUGARWINs are induced by C. falcatum, and the induction of SUGARWINs can vary among sugarcane varieties. The sugarcane variety exhibiting the highest level of SUGARWIN induction exhibited a considerable reduction in C. falcatum infection. Furthermore, SUGARWIN1 exhibited ribonuclease and chitinase activity, whereas SUGARWIN2 exhibited only chitinase activity. This variable enzymatic specificity seems to be the result of divergent amino acid composition within the substrate-binding site. Additionally, plants attacked by insects and pathogens display profound physiological, morphological and chemical changes or adaptations, which may result in organism attraction or avoidance. In this study, we also aimed to understand the insect-fungi association in sugarcane and the role of fungal volatile compounds in this association. Our results have shown that D. saccharalis positively influences C. falcatum infection on sugarcane, inducing a fast growing when compared to C. falcatum treatment without D. saccharalis attack. In addition, both fungi, C. falcatum and F. verticillioides, have been shown a double effect on D. saccharalis caterpillar, they promoted a strong attraction for insects due volatile organic compound emission and positively influenced D. saccharalis feeding and weight gain in diets supplemented with fungi. Fungal volatile organic compounds from C. falcatum and F. verticillioides were identified and quantified; acoradiene and acorenol were specifically induced by the fungi. These data suggest a synergistic interaction, mediated by organic volatile compounds, between D. saccharalis and the fungi C. falcatum and F. verticillioides in sugarcane. / As plantas respondem ao ataque de insetos e patógenos induzindo e acumulando um grande conjunto de proteínas de defesa. A colonização do caule de cana por fungos oportunistas, como Fusarium verticillioides e Colletotrichum falcatum, geralmente ocorre após o ataque de lagartas de Diatraea saccharalis (Lepidoptera: Cambridae), resultando no aumento do dano causado pelo inseto. Dois homólogos da proteína BARWIN foram identificados em cana-de-açúcar, SUGARWIN1 e SUGARWIN2. A expressão desses genes é induzida em resposta ao ferimento mecânico e ao ataque de Diatraea saccharalis, entretanto, a proteína não afeta o desenvolvimento do inseto, mas promove alterações morfológicas e fisiológicas significativas em Fusarium verticillioides e Colletotrichum falcatum, causando a morte destes fungos por apoptose. Esses dados indicam que as SUGARWINs podem funcionar como uma defesa inicial contra a infecção fúngica. Neste estudo, aprofundamos nosso entendimento do papel das SUGARWINs na defesa de plantas e os mecanismos moleculares pelos quais essas proteínas afetam os fungos, elucidando seus alvos moleculares. Nossos resultados mostraram que as SUGARWINs desempenham um papel importante na defesa da planta contra patógenos oportunistas. Foi demonstrado que essas proteínas também são induzidas por C. falcatum em cana-de-açúcar, e sua indução pode variar entre as variedades de cana-de-açúcar. A variedade de cana-de-açúcar que apresentou o maior nível de indução de SUGARWINs apresentou uma redução considerável na infecção por C. falcatum. Além disso, SUGARWIN1 exibiu atividade de ribonuclease e quitinase, enquanto que SUGARWIN2 exibiu apenas atividade de quitinase. Esta especificidade enzimática parece ser o resultado da composição divergente de aminoácidos no sítio de ligação do substrato. Além disso, as plantas atacadas por insetos e patógenos exibem profundas alterações fisiológicas, morfológicas e químicas ou adaptações, que podem resultar em atração ou repelência do organismo, dessa forma, estudamos também a associação inseto-fungos na cana-de-açúcar, e o papel dos compostos voláteis fúngicos nessa associação. Nossos resultados mostraram que D. saccharalis influencia positivamente a infecção por C. falcatum em cana-de-açúcar, induzindo crescimento rápido do fungo quando comparado ao tratamento com C. falcatum sem ataque de D. saccharalis. Além disso, ambos os fungos, C. falcatum e F. verticillioides, mostraram um efeito duplo sobre lagartas de D. saccharalis, promovendo uma forte atração desses insetos devido à emissão de compostos orgânicos voláteis e influenciando positivamente a alimentação de D. saccharalis e ganho de peso em dietas suplementadas com fungos. Os compostos orgânicos voláteis fúngicos de C. falcatum e F. verticillioides foram identificados e quantificados; acoradieno e acorenol foram especificamente induzidos pelos fungos. Estes dados sugerem uma interação sinergistica, mediada por compostos orgânicos voláteis, entre D. saccharalis e os fungos C. falcatum e F. verticillioides em cana-de-açúcar.