O amadurecimento é um processo complexo e geneticamente programado através do qual o fruto adquire características próprias (níveis de açúcar e acidez, cor, amaciamento, sabor e aroma, entre outras) que o torna atraente aos consumidores. O tomate (Solanum lycopersicum) tem sido largamente utilizado como modelo para os estudos sobre amadurecimento de frutos devido à sua importância nutricional e econômica e aos avanços no entendimento de sua genética e bioquímica. Neste fruto, um conjunto de 20 a 30 substâncias voláteis, entre álcoois, aldeídos, cetonas e ésteres, contribuem para o aroma, sendo elas derivadas principalmente de aminoácidos, ácidos graxos e carotenóides. O hormônio etileno está intimamente relacionado com as alterações metabólicas que ocorrem no amadurecimento, inclusive na geração desses compostos voláteis, através da ativação de fatores de transcrição que regulam genes codificadores de enzimas envolvidas nesse processo. Embora se saiba bastante a respeito da bioquímica que produz compostos de aroma e o envolvimento do etileno nesse processo, pouco se sabe sobre o mecanismo de sua regulação. Além disso, o etileno não é o único regulador do amadurecimento, pois há vários indícios de que as auxinas também estão envolvidas neste processo. Embora crescente, este campo ainda encontra-se pouco explorado quando comparado aos avanços obtidos sobre o papel do etileno no amadurecimento de frutos. Os dados são ainda mais escassos no que se refere a regulação das vias de biossíntese dos compostos voláteis. Assim, este trabalho visa avaliar como a interação entre o ácido indol-3-acético (AIA), a auxina mais abundante em plantas, e o etileno influencia a produção do aroma em frutos de tomateiro. Para tal, tomates da cultivar Micro-Tom foram tratados com AIA e etileno, isoladamente e em conjunto. Os resultados mostraram que os grupos de frutos caracterizaram-se por possuir diferentes perfis de compostos voláteis. Os tratamentos com AIA e etileno+AIA ocasionaram atraso no acúmulo de compostos voláteis derivados de isoprenóides, assim como na transcrição de genes envolvidos na síntese desses compostos: carotenoid cleavage dioxygenases 1A e 1B (S/CCD1A e S/CCD1B). A mudança da cor verde para a vermelha e o acúmulo de licopeno também foram atrasados em resposta a estes dois tratamentos. Foram também avaliados os níveis de transcritos de genes envolvidos na síntese de voláteis derivados de ácidos graxos, sendo eles lipoxigenases (S/LOX), hidroperóxido liases (S/HPL) e álcool desidrogenases (S/ADH), além dos níveis da produção de etileno, e AIA na forma livre e conjugados. Os resultados mostraram-se robustos em relação aos impactos nos perfis de compostos voláteis, causados pelos mesmos tratamentos hormonais, em frutos de tomateiro da variedade Grape. Os dados sugerem que a auxina possui importante papel na formação de compostos voláteis do aroma em frutos de tomateiro, regulando de forma negativa este metabolismo. Esse efeito modulador ocorre provavelmente por meio de interações com o etileno. / Fruit ripening is a complex and genetically programmed process through the fruit acquires characteristics (sweetness and acidity, color, softening, flavor and aroma, etc.) that make it attractive to consumers. The tomato fruit (Solanum lycopersicum) has been widely used as a model for studies on fruit ripening due to its nutritional and economic importance and advances in the understanding of its genetics and biochemistry. A set of 20 to 30 volatile substances, including alcohols, aldehydes, ketones and esters, which were derived from amino acids, fatty acids and carotenoids, contribute to the flavor. The hormone ethylene is closely related to the metabolic changes that occur in the maturation, including the generation of these volatile compounds, through the activation of transcription factors that regulate genes encoding proteins involved in this process. Although the knowledge about the biochemistry pathways that produces flavor compounds and the involvement of ethylene have advanced, little is known about the regulation of this process. In addition, ethylene is not the unique hormone that plays this role on fruit ripening. There is a growing body of evidence indicating the involvement of auxin in the maturation. The role of other hormonal classes is still little explored when compared to progress made on the role of ethylene in fruit ripening, especially regarding the regulation of the biosynthetic pathways of volatile compounds. This study aim to assess how the interaction between the indole-3-acetic acid (IAA), the most abundant auxin in plants, and ethylene influence the production of tomato fruit aroma. To do this, fruit from tomato cultivar Micro-Tom were treated with IAA and ethylene, separately and in combination. The results showed that the fruit groups characterized by having different profiles of volatile compounds. The treatment with IAA and IAA + ethylene caused delay in accumulation of volatile compounds derived from isoprenoid, as well as in the transcription of genes involved in the synthesis of these compounds: carotenoid cleavage dioxygenases 1A and 1B (S/CCD1A and S/CCD1B). The change from green to red and the accumulation of lycopene were also delayed in response to these two treatments. We also assessed the levels of transcripts of genes involved in the synthesis of volatile compounds derived from fatty acids (lipoxygenases [S/LOX], hydroperoxide lyases [S/HPL] and alcohol dehydrogenases [S/ADH]), besides the levels of ethylene production, and IAA in free and conjugated form. The results were robust with respect to impacts on volatile compounds profiles, caused by the same hormone treatments in tomato variety Grape. The data suggest that auxin plays an important role in the synthesis of volatile compounds in tomato fruit, negatively regulating this metabolism. This modulating effect likely occurs through crosstalks with ethylene.

Micorrizas arbusculares (MAs) são simbioses mutualistas formadas entre fungos do solo e a maioria das plantas terrestres, principalmente angiospermas. Esta simbiose pode trazer uma série de benefícios para o hospedeiro vegetal, como uma maior absorção de fosfato, um aumento na tolerância ao estresse abiótico e biótico, e resistência a agentes patogênicos, resultando numa melhor adaptação ao meio. É possível que hormônios vegetais estejam envolvidos em eventos de sinalização entre fungos micorrízicos arbusculares e plantas hospedeiras, durante os processos de colonização das raízes e de desenvolvimento dos arbúsculos. Recentes estudos têm demonstrado que durante o estabelecimento da simbiose, ocorre uma reprogramação da expressão de um grande número de genes, e que essas alterações na expressão gênica podem estar associadas a alterações dos níveis de hormônios nas plantas. O objetivo deste trabalho foi avaliar o desenvolvimento de MAs em mutantes de tomateiro cv Micro-Tom (MT) insensível ao ácido jasmônico (jai1-1), superprodutor de etileno (epi) e duplo mutante epijai1 inoculados com Glomus clarum em condições de baixa concentração de fósforo no substrato, e a expressão de genes relacionadas à biossíntese do ácido jasmônico (AJ) (OPR3 e AOC) e do etileno (ET) (ACO4 e ACS2). O mutante jai1-1 não apresentou colonização intrarradicular e o acúmulo de transcritos tanto para a via de biossíntese do AJ como do ET foi relativamente menor do que o controle MT o que sugere a importância do AJ para o desenvolvimento da simbiose.O mutante epi e o duplo mutante apresentaram colonização intraradicular reduzida em relação ao controle MT. O acúmulo de transcritos dos genes da via do ET (ACO4 e ACS2) e do AJ (OPR3 e AOC) foi maior no mutante epi. A insensibilidade ao AJ presente no duplo mutante não impediu o acúmulo de transcritos para as vias de biossíntese do AJ e do ET, o que sugere uma relação sinérgica entre os hormônios vegetais no estabelecimento da simbiose. / Arbuscular mycorrhizal (AM) symbioses are formed between mutualistic soil fungi and most land plants, particularly angiosperms. This symbiosis can bring many benefits to the host plant, such as increased absorption of phosphate, an increase in tolerance to abiotic and biotic stress, and resistance to pathogens, resulting in better adaptation to the environment. Its possible that plant hormones are involved in signaling events between mycorrhizal fungi and host plants during the processes of colonization of roots and development of arbuscules. Recent studies have shown that during the establishment of symbiosis, there is a reprogramming of the expression of a large number of genes, and that these changes in gene expression may be associated with altered levels of hormones in plants. The aim of this study was to evaluate the development of MA in mutants of tomato cv Micro-Tom (MT) insensitive to jasmonic acid (jai1-1), ethylene overproducer (epi) and double mutant epijai1 inoculated with Glomus clarum under low phosphorus concentration in substrate, and the expression of genes related to biosynthesis of jasmonic acid (JA) (and OPR3 AOC) and ethylene (ET) (ACO4 and ACS2). Jai1-1 mutant showed no intraradical colonization and the accumulation of transcripts for both the biosynthesis of JA and ET was less than the control MT suggesting the importance of JA for the development of epi and double mutant symbiosis. The mutant epi and the double mutant showed reduced intraradical colonization when compared to the control MT. The transcript accumulation of the ET (ACO4 and ACS2) and JA (OPR3 and AOC) genes was higher in the mutant epi. The insensitivity to the JA in this double mutant did not prevent the accumulation of transcripts for the biosynthetic pathways of JA and ET, suggesting a synergistic relationship between plant hormones for the establishment of symbiosis.

Micorrizas arbusculares (MAs) são simbioses mutualistas formadas entre fungos do solo e a maioria das plantas terrestres, principalmente angiospermas. Esta simbiose pode trazer uma série de benefícios para o hospedeiro vegetal, como uma maior absorção de fosfato, um aumento na tolerância ao estresse abiótico e biótico, e resistência a agentes patogênicos, resultando numa melhor adaptação ao meio. É possível que hormônios vegetais estejam envolvidos em eventos de sinalização entre fungos micorrízicos arbusculares e plantas hospedeiras, durante os processos de colonização das raízes e de desenvolvimento dos arbúsculos. Recentes estudos têm demonstrado que durante o estabelecimento da simbiose, ocorre uma reprogramação da expressão de um grande número de genes, e que essas alterações na expressão gênica podem estar associadas a alterações dos níveis de hormônios nas plantas. O objetivo deste trabalho foi avaliar o desenvolvimento de MAs em mutantes de tomateiro cv Micro-Tom (MT) insensível ao ácido jasmônico (jai1-1), superprodutor de etileno (epi) e duplo mutante epijai1 inoculados com Glomus clarum em condições de baixa concentração de fósforo no substrato, e a expressão de genes relacionadas à biossíntese do ácido jasmônico (AJ) (OPR3 e AOC) e do etileno (ET) (ACO4 e ACS2). O mutante jai1-1 não apresentou colonização intrarradicular e o acúmulo de transcritos tanto para a via de biossíntese do AJ como do ET foi relativamente menor do que o controle MT o que sugere a importância do AJ para o desenvolvimento da simbiose.O mutante epi e o duplo mutante apresentaram colonização intraradicular reduzida em relação ao controle MT. O acúmulo de transcritos dos genes da via do ET (ACO4 e ACS2) e do AJ (OPR3 e AOC) foi maior no mutante epi. A insensibilidade ao AJ presente no duplo mutante não impediu o acúmulo de transcritos para as vias de biossíntese do AJ e do ET, o que sugere uma relação sinérgica entre os hormônios vegetais no estabelecimento da simbiose. / Arbuscular mycorrhizal (AM) symbioses are formed between mutualistic soil fungi and most land plants, particularly angiosperms. This symbiosis can bring many benefits to the host plant, such as increased absorption of phosphate, an increase in tolerance to abiotic and biotic stress, and resistance to pathogens, resulting in better adaptation to the environment. Its possible that plant hormones are involved in signaling events between mycorrhizal fungi and host plants during the processes of colonization of roots and development of arbuscules. Recent studies have shown that during the establishment of symbiosis, there is a reprogramming of the expression of a large number of genes, and that these changes in gene expression may be associated with altered levels of hormones in plants. The aim of this study was to evaluate the development of MA in mutants of tomato cv Micro-Tom (MT) insensitive to jasmonic acid (jai1-1), ethylene overproducer (epi) and double mutant epijai1 inoculated with Glomus clarum under low phosphorus concentration in substrate, and the expression of genes related to biosynthesis of jasmonic acid (JA) (and OPR3 AOC) and ethylene (ET) (ACO4 and ACS2). Jai1-1 mutant showed no intraradical colonization and the accumulation of transcripts for both the biosynthesis of JA and ET was less than the control MT suggesting the importance of JA for the development of epi and double mutant symbiosis. The mutant epi and the double mutant showed reduced intraradical colonization when compared to the control MT. The transcript accumulation of the ET (ACO4 and ACS2) and JA (OPR3 and AOC) genes was higher in the mutant epi. The insensitivity to the JA in this double mutant did not prevent the accumulation of transcripts for the biosynthetic pathways of JA and ET, suggesting a synergistic relationship between plant hormones for the establishment of symbiosis.

Each organ of a multicellular organism is unique at the level of its tissues and cells. Furthermore, responses to environmental stimuli or developmental signals occur differentially at the single cell or tissue level. This underlines the necessity of precise investigation of the “building block of life” -the individual cell. Although recently large amount of data concerning different aspects of single cell performance was accumulated, our knowledge about development and differentiation of individual cell within specialized tissue are still far from being complete. To get more insight into processes that occur in certain individual cell during its development and differentiation changes in gene expression during life cycle of A. thaliana leaf hair cell (trichome) were explored in this work. After onset of trichome development this cell changes its cell cycle: it starts endoreduplication (a modified cell cycle in which DNA replication continues in the absence of mitosis and cytokinesis). This makes trichomes a suitable model for studying cell cycle regulation, regulation of cell development and differentiation. Cells of interest were sampled by puncturing them with glass microcapillaries. Each sample contained as few as ten single cells. At first time trichomes in initial stage of trichome development were investigated. To allow their sampling they were specifically labelled by green fluorescent protein (GFP). In total three cell types were explored: pavement cells, trichome initials and mature trichomes. Comparison of gene expression profiles of these cells allowed identification of the genes differentially expressed in subsequent stages of trichome development. Bioinformatic analysis of genes preferentially expressed in trichome initials showed their involvement in hormonal, metal, sulphur response and cell-cycle regulation. Expression pattern of three selected candidate genes, involved in hormonal response and early developmental processes was confirmed by independent method. Effects of mutations in these genes on both trichome and plant development as well as on plant metabolism were analysed. As an outcome of this work novel components in the sophisticated machinery of trichome development and cell cycle progression were identified. These factors could integrate hormone stimuli and network interactions between characterized and as yet unknown members of this machinery. I expect findings presented in this work to enhance and complement our current knowledge about cell cycle progression and trichome development, as well as about performance of the individual cell in general. / Jedes Organ eines vielzelligen Organismus weißt einzigartige Merkmale auf seiner Gewebe und Zellebene auf. Darüber hinaus, werden entwicklungsabhängige sowie aus der Umwelt empfangene Signale zelltypspezifisch interpretiert. Aus dieser Spezialisierung einzelner Zellen ergibt sich somit unmittelbar die Notwendigkeit einzelne Zellen, als Bausteine komplexer Organe, individuell zu untersuchen. Obwohl in den letzten Jahrzehnten große Datenmengen über verschiedene Aspekte einzelner Zellen akkumuliert wurden, ist das Gesamtbild der Differenzierung und Entwicklung individueller Zellen in einem vielzelligen Organismus weitgehend unbekannt. Um der Frage nachzugehen, welche Prozesse sich in einer einzelnen Zelle während ihrer Differenzierung und Entwicklung abspielen, wurden Genexpressionsprofile einzelner Blatthaarzellen der Pflanze Arabidopsis thaliana in verschiedene Entwicklungsstadien erstellt. Nach dem Beginn der Entwicklung einer Protodermalzelle in ein Blatthaar (Trichom) kommt es zu einem Umschalten des Zellzyklus; Endoreduplikation setzt ein. Dies bedeutet, dass DNA repliziert wird, aber keine Zellteilung mehr stattfindet. Aus diesem Grunde eignen sich heranwachsende Trichome besonders gut Mechanismen zu erforschen, die in Verbindung mit der Zellzyklusregulation und Zellentwicklung stehen. Die Inhalte ausgewählter Einzelzellen wurden mit Glasmikrokapillaren extrahiert. Jeweils zehn derartige Einzelzellextrakte wurden daraufhin vereint. Als besonders hervorzuheben gilt, dass es uns in dieser Studie zum ersten mal überhaupt gelang die Inhalte einzelner Trichomzellen in ganz frühen Entwicklungsstadien zu extrahieren und anschließend zu analysieren. Um die Extraktion der Inhalte dieser frühen Zellstadien überhaupt zu ermöglichen, war es erforderlich diese mit dem grün fluoreszierenden Protein (GFP) zu markieren. Neben den Trichominitialzellen wurden ausgewachsene Trichomzellen sowie Epidermiszellen (Pavementzellen) mittels der Einzelzelltechnik untersucht. Ein Vergleich der erstellten Genexpressionsprofile dieser drei Zelltypen ermöglichte es Gene zu identifizieren, die in den ausgewählten Entwicklungsstadien der Trichombildung differentiell induziert wurden. Mittels bioinformatischer Analysemethoden gelang es, Gruppen von Genen zu identifieren, die exklusiv in Trichominitialzellen exprimiert sind und den Kategorien, Hormonregulation, Metallhomeostase, Schwefelstoffwechesol sowie Zellzyklusregulation zuzuordnen sind. Weiterhin wurde das Expressionsmuster dreier ausgewählter Kandidatengene mit alternativen Techniken verifiziert. Die ausgewählten Kandidatengene gehörten den Katergorien, Hormonrespons sowie frühe Entwicklungsprozesse, an. Darüber hinaus wurden Mutanten in allen drei Gene erzeugt und der Einfluss dieser Mutationen auf die Trichomentwicklung analysiert. Ein weiterer Aspekt der Mutantenanalyse lag in der Erstellung von Metabolitenprofilen ausgewählter Mutanten. Als ein wesentliches Ziel dieser Arbeit gelang es mir bisher unbekannte Komponenten in der Trichomentwicklung und damit der Zellzyklusregulation zu identifizieren. Diese neu identifizierten Komponenten führen zu einer Integration der hormonellen Kontrolle der Zellteilung und Entwicklung mit bisher unbekannten Faktoren. Ich erwarte, dass die von mir erbrachten Ergebnisse zu einem tieferen Verständnis der Prozesse, die an der Trichomentwicklung sowie an der Zellzyklusregulation beteiligt sind, beitragen. Insbesondere, zu einem erweiterten Verständnis des Verhaltens individueller Zellen in einem vielzelligen Organismus.

A exemplo do que ocorre em animais, peptídeos hormonais em plantas desempenham papéis importantes no crescimento, desenvolvimento e defesa. RALF é um peptídeo hormonal ubíquo em plantas que foi primeiramente isolado de folhas de tabaco. Embora não se saiba exatamente sua função, as informações até agora existentes apontam para um envolvimento com aspectos básicos da biologia celular, provavelmente alongamento celular. Peptídeos RALF em Arabidopsis são encontrados em uma família multigênica de 37 membros. Plantas transgênicas superexpressando o AtRALF1 sob o controle do forte promotor constitutivo 35S, mostram um fenótipo semi-anão e inibição do crescimento das raízes. Um fenótipo semelhante também foi observado quando o AtRALF23 foi superexpresso. O AtRALF23, ao contrário do AtRALF1, tem sua expressão inibida por brassinosteróides. Esses fatos sugerem que diferentes peptídeos hormonais RALF, apesar de convergirem para a mesma função, apresentam uma relação individualizada com outros hormônios. O objetivo desse trabalho foi contribuir para a determinação da função dos peptídeos RALF em plantas e para o esclarecimento da inter-relação existente entre eles e os demais hormônios vegetais. Para tal, selecionou-se as isoformas AtRALF1 e AtRALF34 com base em semelhança/dessemelhança estrutural e padrão de expressão. Plantas silenciadas e com altos níveis de expressão para ambos os genes foram obtidas e avaliadas. A construção gênica AtRALF1-GFP foi inserida em Arabidopsis sob o controle do promotor 35S e foi observada fluorescência no retículo endoplasmático, complexo de Golgi e apoplasto. Genes anteriormente reportados como induzidos em plantas 35S:AtRALF1 foram validados e utilizados em experimentos com o AtRALF1 e o brassinolide. O conjunto dos resultados sugere um efeito antagônico do peptídeo AtRALF1 com relação ao efeito do brassinolide no alongamento de hipocótilos e raízes. Plantas com altos níveis de AtRALF1 são resistentes a aplicação exógena de brassinolide, não exibindo as respostas características do hormônio esteróide. O antagonismo entre os dois hormônios também foi sugerido pela análise da expressão de genes que são induzidos por AtRALF1 e brassinolide. / Like in animals, plant peptide hormones play important roles in growth, development and defense. RALF is a peptide hormone ubiquitous in plants that was first isolated from tobacco leaves. Although its function has not been established, the information gathered so far suggest its involvement with basic aspects of cellular biology, probably cellular elongation. RALF peptides in Arabidopsis are found in a multigene family of 37 members. Transgenic plants overexpressing AtRALF1 under the control of the strong constitutive promoter 35S, show a semi-dwarf phenotype and root growth inhibition. A similar phenotype was also observed when AtRALF23 was overexpressed. AtRALF23, as opposed to AtRALF1, is inhibited by brassinosteroids. These facts suggest that different RALF peptide hormones, despite the convergence to the same function, show a unique relationship with other hormones. The goal of this work was to contribute to the determination of the function of RALF peptides in plants and to clarify the inter-relationship between RALF and the other plant hormones. With that in mind, the isoforms AtRALF1 and AtRALF34 were selected based on primary structure similarity/dissimilarity and pattern of gene expression. Plants with high levels of expression or silenced for both genes were obtained and evaluated. The gene construct AtRALF1-GFP was introduced in Arabidopsis under the control of the 35S promoter and fluorescence was observed in the endoplasmic reticulum, Golgi apparatus and apoplast. Genes previously reported as induced in 35S:AtRALF1 plants were validated and used in AtRALF1 peptide and brassinolide experiments. Taken together our results suggest an antagonistic effect of the peptide AtRALF1 regarding the elongation effect of brassinolide in hypocotyls and roots. Plants with high levels of AtRALF1 are resistant to exogenously applied brassinolide, and do not show typical responses to the steroid hormone. The antagonism between the two hormones was also suggested by the gene expression analysis of the AtRALF1 and brassinolide inducible genes.

Orientadores: Gonçalo Amarante Guimarães Pereira, Maria Carolina Scatolin do Rio / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia / Made available in DSpace on 2018-08-21T23:38:33Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Teixeira_GleidsonSilva_D.pdf: 5340667 bytes, checksum: a5eb7198bd79e4c57ea6ac55d5742b85 (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: A Vassoura-de-bruxa, causada pelo fungo hemibiotrofico Moniliophthora perniciosa, e uma das principais doenças que acometem o cacaueiro (Theobroma cacao L.). Durante a fase biotrófica, o patôgeno coloniza o espaço intercelular e estimula a formação de ramos hipertróficos denominados vassoura verde. No estagio avançado da doença, o fungo passa a colonizar também o interior das células e observa-se a morte do tecido originando a vassoura seca. A semelhança destes sintomas aos observados em outras fitopatologias sugere um desequilíbrio hormonal em resposta a infecção. Neste contexto, este trabalho apresenta um estudo integrado dos genes relacionados a diferentes hormônios vegetais e uma caracterização dos genes relacionados às citocininas. A possível participação dos hormônios no estabelecimento e na progressão da Vassoura-de-bruxa do cacaueiro e discutida. Dados de RNA-seq foram gerados durante as diferentes fases da interação. Em seguida, genes diferencialmente expressos foram classificados de acordo com a terminologia do Gene Ontology. Além disso, a capacidade de biossíntese de citocininas pelo fungo M. perniciosa foi avaliada através do teste de complementação utilizando a levedura TM128 sln1?. Em paralelo, foi realizada uma caracterização detalhada dos genes que constituem o mecanismo de percepção de citocininas em cacau, sistema denominado two-component. Genes relacionados às respostas hormonais e de defesa foram os mais representados entre o grupo de diferencialmente expressos. Durante a fase assintomática, e observada a indução de genes relacionados a auxinas e etileno. Por outro lado, no estagio avançado, foram identificados genes relacionados à degradação de citocininas e as respostas de defesa mediadas por acido salicílico e jasmonato/etileno. Paralelamente, foi identificado no M. perniciosa um gene para a síntese de citocininas, entretanto, a funcionalidade deste não foi confirmada. Em T. cacau, a arquitetura do sistema two-component e similar a encontrada em Arabidopsis sp., porem, nenhuma alteração significativa na expressão dos genes que constituem este sistema foi identificada. Por essa razão, não foi possível estabelecer uma relação clara entre as citocininas e os sintomas da Vassoura-de-bruxa. Contudo, o padrão de expressão de genes relacionados à homeostase de auxinas, sugere uma regulação negativa das respostas de defesa contra patogenos biotroficos durante fase inicial da doença / Abstract: The Witches' Broom disease, caused by the hemibiotrophic fungus Moniliophthora perniciosa, is the major disease affecting cacao (Theobroma cacao L.). During its biotrophic phase, the pathogen colonizes the intercellular space and stimulates the formation of hypertrophic branches called green broom. In the advanced stage of the disease, the fungus starts also to colonize the interior of the cells and it is noted the death of tissue originating the dry broom. The similarity of these symptoms to those observed in other plant diseases suggests a hormonal imbalance in response to the infection. In this context, this work presents an integrated study of plant hormone-related genes and a characterization of cytokinin-related genes. The possible participation of these genes in the establishment and progression of Witches' Broom in cacao is discussed. RNA-seq data regarding different phases of the interaction were generated. After this, differentially expressed genes were classified according to Gene Ontology terminology. Furthermore, the ability of cytokinin biosynthesis by M. perniciosa was assessed by a complementation test using the yeast TM128 sln1?. In parallel, we performed a detailed characterization of genes that constitute the mechanism of perception of cytokinins in cacao, the two-component system. For these, the gene expression values have been accessed through the previously generated RNA-seq data. Defense and hormone-related genes were the most represented among the differentially expressed genes. During asymptomatic phase, we observe the induction of auxin and ethylene-related genes. During the symptomatic stage, genes related to the degradation of cytokinins and defense responses mediated by salicylic acid and jasmonate/ethylene was identified. Simultaneously, a putative gene for the synthesis of cytokinins was identified in M. perniciosa genome; however, the participation of this gene in cytokinin synthesis was not confirmed. In T. cocoa, the architecture of two-component system is similar to that one found in Arabidopsis sp.; however, no significant change in the expression of genes that constitute this system was identified. For this reason, it was not possible to establish a clear relationship between cytokinins and the symptoms of the Witches' Broom disease. Moreover, the expression pattern of homeostasis auxin-related genes suggests a negative regulation of defense responses against biotrophic pathogens during the initial stage of the disease / Doutorado / Genetica de Microorganismos / Doutor em Genetica e Biologia Molecular

O amadurecimento é um processo complexo e geneticamente programado através do qual o fruto adquire características próprias (níveis de açúcar e acidez, cor, amaciamento, sabor e aroma, entre outras) que o torna atraente aos consumidores. O tomate (Solanum lycopersicum) tem sido largamente utilizado como modelo para os estudos sobre amadurecimento de frutos devido à sua importância nutricional e econômica e aos avanços no entendimento de sua genética e bioquímica. Neste fruto, um conjunto de 20 a 30 substâncias voláteis, entre álcoois, aldeídos, cetonas e ésteres, contribuem para o aroma, sendo elas derivadas principalmente de aminoácidos, ácidos graxos e carotenóides. O hormônio etileno está intimamente relacionado com as alterações metabólicas que ocorrem no amadurecimento, inclusive na geração desses compostos voláteis, através da ativação de fatores de transcrição que regulam genes codificadores de enzimas envolvidas nesse processo. Embora se saiba bastante a respeito da bioquímica que produz compostos de aroma e o envolvimento do etileno nesse processo, pouco se sabe sobre o mecanismo de sua regulação. Além disso, o etileno não é o único regulador do amadurecimento, pois há vários indícios de que as auxinas também estão envolvidas neste processo. Embora crescente, este campo ainda encontra-se pouco explorado quando comparado aos avanços obtidos sobre o papel do etileno no amadurecimento de frutos. Os dados são ainda mais escassos no que se refere a regulação das vias de biossíntese dos compostos voláteis. Assim, este trabalho visa avaliar como a interação entre o ácido indol-3-acético (AIA), a auxina mais abundante em plantas, e o etileno influencia a produção do aroma em frutos de tomateiro. Para tal, tomates da cultivar Micro-Tom foram tratados com AIA e etileno, isoladamente e em conjunto. Os resultados mostraram que os grupos de frutos caracterizaram-se por possuir diferentes perfis de compostos voláteis. Os tratamentos com AIA e etileno+AIA ocasionaram atraso no acúmulo de compostos voláteis derivados de isoprenóides, assim como na transcrição de genes envolvidos na síntese desses compostos: carotenoid cleavage dioxygenases 1A e 1B (S/CCD1A e S/CCD1B). A mudança da cor verde para a vermelha e o acúmulo de licopeno também foram atrasados em resposta a estes dois tratamentos. Foram também avaliados os níveis de transcritos de genes envolvidos na síntese de voláteis derivados de ácidos graxos, sendo eles lipoxigenases (S/LOX), hidroperóxido liases (S/HPL) e álcool desidrogenases (S/ADH), além dos níveis da produção de etileno, e AIA na forma livre e conjugados. Os resultados mostraram-se robustos em relação aos impactos nos perfis de compostos voláteis, causados pelos mesmos tratamentos hormonais, em frutos de tomateiro da variedade Grape. Os dados sugerem que a auxina possui importante papel na formação de compostos voláteis do aroma em frutos de tomateiro, regulando de forma negativa este metabolismo. Esse efeito modulador ocorre provavelmente por meio de interações com o etileno. / Fruit ripening is a complex and genetically programmed process through the fruit acquires characteristics (sweetness and acidity, color, softening, flavor and aroma, etc.) that make it attractive to consumers. The tomato fruit (Solanum lycopersicum) has been widely used as a model for studies on fruit ripening due to its nutritional and economic importance and advances in the understanding of its genetics and biochemistry. A set of 20 to 30 volatile substances, including alcohols, aldehydes, ketones and esters, which were derived from amino acids, fatty acids and carotenoids, contribute to the flavor. The hormone ethylene is closely related to the metabolic changes that occur in the maturation, including the generation of these volatile compounds, through the activation of transcription factors that regulate genes encoding proteins involved in this process. Although the knowledge about the biochemistry pathways that produces flavor compounds and the involvement of ethylene have advanced, little is known about the regulation of this process. In addition, ethylene is not the unique hormone that plays this role on fruit ripening. There is a growing body of evidence indicating the involvement of auxin in the maturation. The role of other hormonal classes is still little explored when compared to progress made on the role of ethylene in fruit ripening, especially regarding the regulation of the biosynthetic pathways of volatile compounds. This study aim to assess how the interaction between the indole-3-acetic acid (IAA), the most abundant auxin in plants, and ethylene influence the production of tomato fruit aroma. To do this, fruit from tomato cultivar Micro-Tom were treated with IAA and ethylene, separately and in combination. The results showed that the fruit groups characterized by having different profiles of volatile compounds. The treatment with IAA and IAA + ethylene caused delay in accumulation of volatile compounds derived from isoprenoid, as well as in the transcription of genes involved in the synthesis of these compounds: carotenoid cleavage dioxygenases 1A and 1B (S/CCD1A and S/CCD1B). The change from green to red and the accumulation of lycopene were also delayed in response to these two treatments. We also assessed the levels of transcripts of genes involved in the synthesis of volatile compounds derived from fatty acids (lipoxygenases [S/LOX], hydroperoxide lyases [S/HPL] and alcohol dehydrogenases [S/ADH]), besides the levels of ethylene production, and IAA in free and conjugated form. The results were robust with respect to impacts on volatile compounds profiles, caused by the same hormone treatments in tomato variety Grape. The data suggest that auxin plays an important role in the synthesis of volatile compounds in tomato fruit, negatively regulating this metabolism. This modulating effect likely occurs through crosstalks with ethylene.

O amadurecimento é um processo geneticamente controlado em que ocorrem alterações bioquímicas e fisiológicas no fruto, modificando suas características sensoriais (sabor, cor, aroma e textura). Não existe um modelo exato de estudo para frutos não-climatéricos e os fatores regulatórios envolvidos na maturação desses frutos ainda são pouco claros. Muitos estudos tem focado em diferentes classes hormonais como possíveis fatores regulatórios do amadurecimento de frutos não-climatéricos, incluindo a produção de compostos voláteis do aroma. No morango, o ácido abscísico (ABA) exógeno provavelmente efetua a maturação do fruto. Esse hormônio também exibe um padrão de mudança semelhante ao do etileno em estádios finais do desenvolvimento. Já os jasmonatos, especialmente o metil-jasmonato (MJ), são capazes de induzir a biossíntese de diversos compostos voláteis, que podem apresentar notas aromáticas. Trabalhos com diversas frutas, dentre elas o morango, sugerem a participação das auxinas no amadurecimento, mais especificamente, o ácido indol acético (AIA). Embora existam várias evidências da interação desses hormônios vegetais com o etileno, há poucos detalhes sobre quais são as vias metabólicas e quais etapas são afetadas pelos hormônios citados. Por isso, nesse projeto foram avaliados os efeitos dos hormônios etileno, ABA, AIA e MJ na produção de compostos voláteis do aroma em frutos não-climatéricos, utilizando o morango (Fragaria X ananassa) como modelo. Os morangos foram obtidos no ponto branco de maturação e as aplicações hormonais seguriam protocolos já otimizados e testados em laboratório. Em todos os casos, os resultados dos tratamentos foram comparados com grupos controle tratados apenas com solução tampão. A maioria de compostos voláteis produzidos foi identificada como ésteres, sendo estes já conhecidos pela importância no flavor dos morangos. Outros compostos voláteis do aroma também foram formados ao longo dos dias, tais como: álcoois, aldeídos, cetonas, furanonas, monoterpenos. Também foram avaliados os efeitos dos hormônios ABA e AIA sobre genes ligados a biossíntese de voláteis. Desse modo, foi possível obter informações sobre as interações hormonais relacionadas à formação de voláteis do aroma, gerando base de conhecimento importante para futuras intervenções tecnológicas que visem aprimorar a qualidade sensorial dos frutos. A aplicação exógena dos hormônios vegetais influenciou a biossíntese de compostos voláteis do aroma, quando comparados ao controle, principalmente em relação à via da LOX, devido à maior formação de compostos voláteis C6, que são precursores de compostos típicos do aroma em morangos. A modulação dos níveis de hormônio no morango ao longo do amadurecimento pode ser útil para ajudar a arquitetar abordagens que melhorem a qualidade do fruto e prolonguem sua vida útil. Os resultados obtidos até o momento reforçam a hipótese de existir uma ação dos hormônios estudados em frutos não-climatéricos, com variados graus de impacto sobre os diferentes aspectos do amadurecimento, principalmente sobre a formação de compostos voláteis do aroma. / The fruit ripening is a genetically controlled process in which biochemical and physiological changes occur, modifying its sensory characteristics (taste, color, aroma and texture). There is no exact study model for non-climacteric fruits and the regulatory factors involved in the maturation of these fruits are still unclear. Many studies have focused on different hormonal classes as possible regulatory factors for the maturation of non-climacteric fruits, including the production of volatile aroma compounds. In the strawberry, the exogenous abscisic acid (ABA) probably effects the maturation of the fruit. This hormone also exhibits a pattern of change similar to that of ethylene in late stages of development. However, jasmonates, especially methyl jasmonate (MJ), are capable of inducing the biosynthesis of various volatile compounds, which may have aromatic notes. Several studies about fruits development, among them the strawberry, suggest the participation of auxins in ripening, more specifically indole acetic acid (AIA). Although there is a lot of evidence of the interaction of these plant hormones with ethylene, there are few details about what metabolic pathways are and which steps are affected by the hormones mentioned. Therefore, the effects of the ethylene, ABA, AIA and MJ hormones on the production of volatile aroma compounds in non-climacteric fruits, using strawberry (Fragaria X ananassa) as a model, were evaluated in this project. The strawberries were obtained at the white point of maturation and the hormonal applications would follow protocols already optimized and tested in the laboratory. In all cases, treatment results were compared to control groups treated with buffer alone. Most volatile compounds produced were identified as esters, which are already known for their importance in the flavor of strawberries. Other volatile aroma compounds have also been formed over the course of days, such as alcohols, aldehydes, ketones, furanones, and monoterpenes. We also evaluated the effects of ABA and AIA hormones on genes linked to volatile biosynthesis. Thus, it was possible to obtain information about the hormonal interactions related to the formation of aroma volatiles, generating an important knowledge base for future technological interventions aimed at improving the sensorial quality of the fruits. The exogenous application of plant hormones influenced the biosynthesis of volatile aroma compounds when compared to the control, mainly in relation to the LOX pathway due to the higher formation of C6 volatile compounds, which are precursors of typical strawberry aroma compounds. Modulation of the levels of the hormone in the strawberry during maturation can be useful to help design approaches that improve the quality of the fruit and prolong its useful life. The results reinforce the hypothesis that there is an action of the hormones studied in non-climacteric fruits, with varying degrees of impact on the different aspects of maturation, mainly on the formation of volatile aroma compounds.

A vassoura-de-bruxa consiste numa importante enfermidade do cacaueiro (Theobroma cacao), causada pelo basidiomiceto Moniliophthora perniciosa e caracterizada pelos sintomas de inchamento e indução de brotações laterais nos ramos infectados. O mecanismo de resistência do cacaueiro a M. perniciosa ainda é desconhecido e o longo ciclo de vida da espécie dificulta o seu estudo. Isolados do biótipo-S do patógeno infectam o tomateiro (Solanum lycopersicum), cuja cultivar miniatura \'Micro-Tom\' (MT) consiste num potencial modelo genético para o estudo da interação. A avaliação desse modelo foi iniciada com a caracterização sintomatológica de MT à inoculações com isolados de M. perniciosa do biótipo-S. Os sintomas avaliados nas plantas infectadas foram engrossamento do caule e desenvolvimento de \'vassouras laterais\'. Na caracterização histopatológica da interação MT e M. perniciosa por microscopia eletrônica de varredura foi observada a germinação preferencial de basidiósporos na base dos tricomas com pontos de penetração através de ferimentos e diretamente pela epiderme. Foi observado por microscopia óptica, aumento no volume celular de plantas infectadas e, a microscopia eletrônica de transmissão detectou a colonização da região intercelular pelo fungo com formação de matriz extracelular envolvendo a hifa. A contribuição dos hormônios vegetais na patogênese foi avaliada por meio de mutantes e plantas transgênicas no background \'Micro-Tom\' com alterações nas vias de biossíntese ou percepção hormonal. As classes hormonais e genótipos avaliados foram brassinosteróide (curl3), auxina (diagiotropica), etileno (epinastic e Never ripe), ácido abscísico (notabilis) giberelina (procera), ácido jasmônico (jasmonic acid insensitive 1e prosistemina), citocinina (CKX2) e ácido salicílico (NahG). Os genótipos que se mostraram mais susceptíveis a infecção por M. perniciosa avaliado por taxa de infecção de plantas, quando comparados ao MT foram epinastic, notabilis, procera e jasmonic acid insensitive 1, sendo que os restantes foram menos susceptíveis, sugerindo que possivelmente a redução da susceptibilidade à M. perniciosa relaciona-se ao aumento nos níveis de jasmonato (JA), em contraponto com o ácido salicílico (AS), que quando em níveis elevados parece aumentar o número de plantas sintomáticas. A infecção cruzada por isolados do biótipo-C foi caracterizada em MT, mutantes hormonais e transgênicos, contudo não foi possível observar sintomas em nenhum genótipo. A interação entre M. perniciosa do biótipo-S e -C e MT foi avaliada por expressão de genes envolvidos na resposta de defesa da planta por RT-qPCR. Após a inoculação com o biótipo-S, o maior número desses genes apresentou acúmulo de transcritos 48 h após a inoculação, seguido do momento a 120 h. Em contrapartida, nas inoculações com o biótipo-C, a indução dos genes deu-se no período de 48 h, porém a resposta atingiu os maiores níveis de expressão 72 h após a inoculação. Mutantes hormonais (jasmonic acid insensitive 1 e curl3) e plantas transgênicas (prosistemina e NahG) também foram avaliados para expressão de genes ligados a resposta de defesa das plantas por RT-qPCR. Os dois genótipos transgênicos que se mostraram menos susceptíveis, demonstraram a expressão de um inibidor de proteinase sinalizado pela via de JA, corroborando a hipótese que a redução no número de plantas com infecção por M. perniciosa esteja ligada a ativação da via do ácido jasmônico / Witches\' broom disease is a major disease of cacao (Theobroma cacao), caused by the basidiomycete Moniliophthora perniciosa, characterized by symptoms, such as tissue swelling and induction of lateral buds in infected branches. Cacao resistance mechanisms against M. perniciosa remain unknown, and the long lifecycle of such species impairs the study of the interaction. Moniliophthora perniciosa S-biotype- isolates infect tomato (Solanum lycopersicum), and the miniature cultivar \'Micro-Tom\' (MT) is a potential genetic model for the study of plant and pathogen interaction. Evaluation of this model started with the characterization of symptoms in MT plants inoculated with S-biotype isolates. Symptoms evaluated were stem swelling and the development of lateral broom. Through histological characterization of the interaction by scanning electron microscopy, it was possible to observe the preferential germination of basidiospores in the base of trichomes, with penetration points through wounds or directly through the epidermis. Increase in cellular volume in infected tissues was observed by light microscopy, and the colonization of the intercellular region by the fungus was detected through transmission electron microscopy, with the formation of an extracellular matrix involving the hypha. The contribution of plant hormones during pathogenesis was evaluated through the use of mutants and transgenic plants on the \'Micro-Tom\' background with alterations in hormonal biosynthetic pathways or perception/signaling. The hormonal classes and genotypes evaluated were for brassinosteroids (curl3), auxin (diageotropica), ethylene (epinastic and Never ripe), abiscisic acid (notabilis); gibberellin (procera); jasmonic acid (jasmonic acid insensitive 1e prosistemina); cytokinins (CKX2) and silicic acid (NahG). The genotypes epinastic, notabilis, procera e jasmonic acid insensitive 1 behaved as being more susceptible to M. perniciosa infection when compared to MT, while the remaining mutants were less susceptible, suggesting that the reduction in susceptibility to M. perniciosa might be related to the increase in jasmonate levels (JA), in the opposite to the levels of salicylate, which seems to increase together with the increase of symptomatic plants. Cross infection with biotype-C isolates was characterized in MT, hormonal mutants and transgenic plants, however typical symptoms of the disease were not observed in any of the genotypes inoculated. Genes involved in plant response and defense were evaluated for expression levels by RT-qPCR in the interaction between M. perniciosa S-and C-biotype with MT . After inoculation with S-biotype, the largest number of genes were up-regulated 48 h after inoculation, followed by a peak at the 120 h sampling. On the other hand, for C-biotype inoculation, gene induction started 48 h after inoculation, but the largest number of transcripts was detected after 72 hours. Hormonal mutants (jasmonic acid insensitive 1 and curl3) and transgenic plants (prosistemina and NahG) were also assessed for expression levels of genes related to plant response and defense. Both transgenic genotypes which behaved less susceptible to the disease showed up-regulation of a proteinase inhibitor typically signaled by JA pathway, corroborating the hypothesis that the reduction of the number of plants infected by M. perniciosa may be related to the jasmonic acid pathway

Os frutos são classificados em climatéricos e não climatéricos de acordo com o padrão da atividade respiratória e produção de etileno. No entanto, estudos apontam que alguns frutos não se enquadram nessa classificação e, a goiaba, tem sido considerada um deles. Uma vez que há divergências quanto à classificação de alguns frutos em climatéricos e não climatéricos, esse trabalho apresenta hipóteses de estudo para goiaba, pois dados sobre sua fisiologia pós-colheita ainda são contraditórios e para maracujá-amarelo, pois são poucos os dados sobre a sua fisiologia pós-colheita. Este trabalho teve como objetivo caracterizar a fisiologia do amadurecimento de maracujá-amarelo e goiaba \'Pedro Sato\' ligados ou não às plantas, bem como, avaliar as respostas desses frutos à aplicação de reguladores do amadurecimento como o etileno e 1-metilciclopropeno (1-MCP). O trabalho foi conduzido em duas etapas. Na etapa 1, foi estimada a concentração endógena de CO2 e etileno de maracujás e goiabas ligados às plantas e em frutos colhidos em diferentes estádios de maturação. Foi fixado um tudo de silicone no epicarpo dos frutos ligados às plantas e coletadas amostras para CO2 e etileno desde o início do desenvolvimento até o completo amadurecimento dos mesmos e em frutos colhidos nos respectivos estádios de maturação para cada espécie frutífera, os quais foram analisados da mesma forma na pós-colheita. Na etapa 2, maracujás e goiabas foram submetidos à aplicação de 1-MCP e etileno e armazenados em câmara à 22ºC e 85% UR durante 9 dias e analisados a cada 3 dias quanto a acidez titulável, teor de sólidos solúveis e ácido ascórbico, rendimento de suco, firmeza, cor da casca, atividade respiratória, produção de etileno e atividade enzimática ACC oxidase. Não foi observado climatério para CO2 durante o amadurecimento de maracujás e goiabas ligados às plantas. O aumento da concentração endógena de CO2 foi observado apenas após a colheita dos frutos. A concentração endógena de etileno foi baixa enquanto os frutos estavam ligados às plantas. Maracujás que amadureceram na planta e sofreram abscisão natural mostraram aumento da concentração endógena de etileno dias antes da abscisão dos frutos. Para goiabas, houve aumento da concentração endógena de etileno somente após a colheita. Maracujás predominantemente verdes e verdes-amarelos responderam positivamente à aplicação de 1-MCP como retardador do amadurecimento, com manutenção da qualidade dos frutos, redução da atividade respiratória e diminuição da atividade da ACC oxidase. A diminuição da produção de etileno foi observada em frutos predominantemente verdes. Maracujás responderam ao etileno exógeno pela influência na qualidade física e química e apresentaram maior atividade enzimática principalmente em frutos predominantemente verdes. O etileno em goiabas verdeescuro promoveu o aumento da atividade respiratória, da produção de etileno e da atividade da ACC oxidase, podendo ser um dos fatores responsáveis pelo amadurecimento mais rápido dos frutos. Goiabas responderam positivamente ao 1- MCP, como retardador do amadurecimento, e na redução da atividade da ACC oxidase. / Fruit have been classified as climacteric and non-climacteric based on their pattern of respiration and ethylene production. However, studies indicate that some fruit are not frame into this classification and, guava has been considered one of them. Since there are differences in the classification of some fruit into climacteric and non-climacteric, this work presents hypotheses for guava, because the postharvest physiology data is still contradictory and for passion fruit, because there are few data considering its postharvest physiology. This study aimed to characterize the ripening physiology of yellow passion fruit and \'Pedro Sato\' guava attached or not to the plant, as well as evaluating the responses of these fruits subjected to exogenous ethylene and 1-methylcyclopropene (1-MCP), since the use of these regulators can help in characterize them. The study was carried out in two steps. The step 1, endogenous CO2 and ethylene concentrations were estimated in passion fruit and guava attached to the plant and in fruit harvested at different ripening stages. A silicone tube was fixed to the epicarp of the fruit and gas samples were collected since the beginning of fruit development to full ripening and for fruit harvested at different ripening stages which were analyzed in postharvest. The step 2, passion fruit and guava were subjected to 1-MCP and ethylene application and then stored at 22ºC and 85% RH for 9 days and analyzed every 3 days for titratable acidity, soluble solids and ascorbic acid, juice yield, firmness, skin color, respiration rate, ethylene production and ACC oxidase activity. It was not observed climacteric for CO2 during ripening of passion fruit and guava attached to the plant. Endogenous CO2 concentration increased only after fruit harvest. Endogenous ethylene concentration was low while the fruit were attached to the plant. For passion fruit that ripened on the plant and had natural abscised the endogenous ethylene concentration increased days before fruit abscission. For guavas, an increase in endogenous ethylene concentration was observed only after harvest. Passion fruit at predominantly green and yellowish-green ripening stages responded positively to 1-MCP application with delayed fruit ripening, maintaining fruit quality, decreased in respiratory activity and reduced ACC oxidase activity. The decrease in ethylene production was observed only in predominantly green fruits. Passion fruit responded to exogenous ethylene by the influence on the physical and chemical quality and showed higher enzyme activity mainly in predominantly green fruits. Guavas at dark green ripening stage subjected to exogenous ethylene showed an increase in respiration rate, ethylene production and ACC oxidase activity, which may be one of the factors responsible to the faster rate of ripening of these fruit. Guavas responded positively to 1-MCP application with delayed ripening and reduced the ACC oxidase activity.