Orientadores: Alessandra Alves de Souza, Marco Aurélio Takita / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia / Made available in DSpace on 2018-08-16T03:21:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Muranaka_LigiaSegatto_M.pdf: 4670725 bytes, checksum: f903ecd21649fe431b36cd1ea62d804b (MD5) Previous issue date: 2010 / Resumo: Xylella fastidiosa é uma bactéria Gram-negativa que causa várias doenças em diferentes espécies de plantas, como a clorose variegada dos citros (CVC) em Citrus sinensis, cujos danos econômicos são da ordem de milhões de dólares anuais. O desenvolvimento dos sintomas tem sido associado ao bloqueio dos vasos do xilema causado pela formação de um biofilme pela bactéria. Recentemente foi verificado que o biofilme de X. fastidiosa é mais resistente a compostos antimicrobianos que a forma planctônica. Essa resistência tem se mostrado um fenômeno complexo que não pode ser explicado por um único mecanismo, e sim por multifatores. Nesse sentido, a proposta desse trabalho foi identificar, por microarranjos de DNA, genes possivelmente associados à adaptação do biofilme na presença de compostos antimicrobianos, em concentrações letais para células em crescimento planctônico, mas que não inibiram o crescimento do biofilme. Foram encontrados 223 (7,87%) CDS induzidas na presença de cobre e 150 (5,29%) reprimidas. Com tetraciclina foram 450 (15,89%) induzidas e 449 (15,85%) reprimidas. Muitas sequências codificadoras envolvidas com funções da síntese proteica, metabolismo energético, divisão celular e movimentação foram moduladas negativamente em ambas as situações, sugerindo que tais modificações contribuiriam para um provável estado de resistência. Com a adição da dose subinibitória de cobre também foi observada a indução de genes relacionados à adesão e produção de toxinas, que estão envolvidos com a virulência da bactéria em planta, o que sugere esta seria aumentada possivelmente induzindo maior severidade de sintomas. Já com tetraciclina o oposto foi observado, repressão de genes relacionados à formação do biofilme e produção de toxinas. No entanto, identificamos a indução de um possível mecanismo de resposta SOS, pela qual genes relacionados ao sistema toxina-antitoxina seriam superexpressos. Esse sistema provavelmente está envolvido com a morte celular programada e formação de células persistentes. Assim é possível concluir que doses subinibitórias de compostos antimicrobianos poderiam ao invés de matar, induzir a virulência da bactéria, como ocorrido com o cobre, ou a formação de células persistentes, como observado com a tetraciclina. Outra abordagem desse trabalho foi à realização de experimentos in vitro e in vivo com um análogo de cisteína, o N-acetyl-L-cysteina (NAC), que já vem sendo utilizado na medicina para desestruturação de biofilmes de bactériaspatógenas de humanos. Resultados da quantificação da massa celular, número de célulasviáveis e exopolissacarídeos totais revelaram que todas as doses de NAC (1, 2 e 6 mg/mL) testadas nos experimentos in vitro diminuiram a formação do biofilme e inibiram o crescimento de X. fastidiosa, o que indica um possível efeito tóxico dessa substância. Nos experimentos in vivo foi observada uma grande redução dos sintomas de CVC em plantas de C. sinensis infectadas e tratadas com diferentes doses de NAC. Esses estudos abrem uma real perspectiva ao uso dessa substância para o manejo da CVC. / Abstract: Xylella fastidiosa is a Gram-negative bacterium that causes several diseases in different plant species, including citrus variegated chlorosis (CVC) in sweet orange (Citrus sinensis L. Osbeck), whose economic damage is of millions of dollars annually. The symptoms development has been associated with the blockage of xylem vessels caused by bacterial biofilm formation. Recently it was found that the biofilm of X. fastidiosa is more resistant to antimicrobial compounds than the planktonic cells. This resistance has been considered as a complex phenomenon that cannot be explained by a single mechanism, but by multi-factors. Accordingly, the intent of this study was to identify through DNA microarray technology, genes possibly involved in adaptation of biofilm cells to the presence of antimicrobial compounds in concentrations that are lethal to cells in planktonic growth, but do not inhibit the cell growth in biofilm. We found 223 (7.87%) genes induced in presence of copper and 150 (5.29%) genes repressed. For tetracycline, there were 450 (15.89%) induced genes and 449 (15.85%) repressed ones. Many genes encoding proteins related to protein synthesis, energy metabolism and cell division were negatively modulated in both, copper and tetracycline treatments, suggesting that these changes could contribute to a state of resistance. When a subinhibitory dose of copper was applied we could also observe the induction of genes related to adhesion and thus biofilm formation and toxin production, suggesting that the bacterial virulence should be increased. The opposite was found for tetracycline. However, we observed the induction of a possible SOS response mechanism in which genes related to a toxin-antitoxin system was overexpressed. This system is probably involved with programmed cell death and formation of persistent cells. We then concluded that subinhibitory doses of antimicrobial compounds could induce bacterial virulence as occurred for copper, or the formation of persistent cells, as observed for tetracycline rather than kill the cells. Another approach of this work was to carry out experiments in vitro and in vivo with an analogue of cysteine, N-acetyl-L-cysteine (NAC), which has been already used in medicine as a drug for disruption of biofilms formed by human pathogenic bacteria. Results of cellular mass quantification, number of viable cells and total exopolysaccharide content revealed that all doses (1.0, 2.0 and 6.0 mg / mL) of NAC tested in in vitro experiments decreased the biofilm formation and inhibited growth of X. fastidiosa, which indicated that this substance could also be toxic for the bacteria. In vivo experiments showed a strong reduction in CVC symptoms in C. sinensis plants infected and treated with different doses of NAC. These studies open a real prospect for the use of this compound in CVC management. / Mestrado / Genetica de Microorganismos / Mestre em Genética e Biologia Molecular

A partir do sequenciamento do genoma da bactéria Xylella fastidiosa, agente causal da clorose variegada dos citros (CVC), estudos sobre os mecanismos de patogenicidade expressos durante a doença foram iniciados em projetos de genômica funcional, com o objetivo de confirmar a função das sequências gênicas identificadas no projeto Genoma de X. fastidiosa. Dentre esses mecanismos destacam-se as enzimas envolvidas no processo de ataque da bactéria. O presente trabalho teve como alvo de estudo a seqüência gênica denominada Xf-0818, clonada em Escherichia coli através da inserção em plasmídeo pET 28b(+), que presumivelmente codifica uma celulase de cerca de 60 kDa, possivelmente envolvida na degradação de fibras de celulose presentes nas membranas dos vasos pontuados do xilema de plantas de citros. A degradação desta membrana permitiria a movimentação de células bacterianas entre os vasos do xilema, o que é determinante para o desenvolvimento dos sintomas da CVC. A proteína foi superexpressada em E. coli por meio de indução com lactose e purificada através de ultrafiltração associada à cromatografia de afinidade a metal. A enzima apresentou alta atividade sobre a celulose carboximetilada 1%, avaliada através da quantificação de açúcares redutores. A obtenção de anticorpos foi realizada mediante injeção da enzima purificada em camundongos, os quais foram avaliados através de ELISA. A atividade da enzima sobre celulose carboximetilada foi reduzida após prévia incubação com os anticorpos. Esses anticorpos representam uma poderosa ferramenta em pesquisas visando à identificação das condições que favoreçam a expressão desta enzima “in vivo”. A presença de partículas de ouro coloidal em seções de tecido provenientes de plantas infectadas com X. fastidiosa indica a atuação da celulase durante a infecção, porém fazse necessária a confirmação do papel da proteína Xf-0818, através de novas análises com imunolocalização, além de estudos utilizando linhagens mutantes de X. fastidiosa para o gene que codifica esta celulase. / From the genome sequencing of the bacteria Xylella fastidiosa, the agent responsible for the citrus variegated chlorosis (CVC), studies on the pathogenicity mechanisms expressed during the occurrence of the disease were started in genomic function projects, aiming to confirm the function of the genic sequences identified in the project X. fastidiosa Genome. Among these mechanisms, the enzymes involved in the bacterium attaching process are highlighted. The present study had, as a goal, the orf denominated Xf-0818, cloned in Escherichia coli by means of the insertion into pET 28b(+) plasmid, which codifies a cellulase of a size nearly 60 kDa, possibly involved in the degradation of cellulose fibers present in the membranes of the xylem vessels of citrus plants. The degradation of this membrane would allow for the movement of bacterial cells among the xylem vessels, which would be important for the development of CVC symptoms. The enzyme was over expressed into E. coli by means of their induction using lactose and purified using ultra-filtration associated to metal affinity chromatography. The enzyme presented high activity over 1%-carboximethyl cellulose (CMC), which was evaluated through quantification of released reduced sugars. The antibodies were obtained by injection of the purified enzyme into mice, which were evaluated by using the ELISA. The enzyme activity over CMC was reduced after previous incubation with the antibodies. These antibodies represent a tool for the researches aiming the identification of conditions that favor the expression of this enzyme in vivo. The presence of gold particles on the citrus diseased tissue samples indicate the participation of this cellulase on the disease, but other studies using immunocytochemistry and mutants of X. fastidiosa are necessary to confirm this hypothesis.

A Clorose Variegada dos Citros (CVC), causada pela bactéria Xylella fastidiosa, é atualmente a doença de maior incidência no Estado de São Paulo. A incidência e a severidade da doença são maiores nas regiões Norte e Noroeste do Estado, onde o clima é predominantemente quente e com déficit hídrico, principalmente no inverno. Embora não haja nada comprovado, alguns estudos indicam que o déficit hídrico aumenta a severidade dos sintomas nas plantas afetadas pela CVC. Além disso, até hoje não foi estabelecida uma função que relacione doença e dano. Dessa forma, o estudo presente objetivou avaliar o efeito de diferentes níveis de irrigação no progresso poliético da CVC, avaliar métodos de avaliação da doença e determinar uma função de dano para a CVC. Para isso, um experimento foi instalado no município de Bebedouro, região Norte do Estado de São Paulo sob o delineamento blocos ao acaso no esquema fatorial 3 x 2, com os seguintes tratamentos: sem irrigação, irrigado com 50% e 100% da evapotranspiração da cultura (ETc), combinados com inoculação natural e artificial de X. fastidiosa. Cada parcela foi constituída de 6 plantas úteis, havendo 4 repetições de cada tratamento, totalizando 144 plantas úteis. As variáveis quantificadas em cada árvore do experimento foram: (a) produção, considerando frutos assintomáticos e sintomáticos, no período de 2006 a 2008 e produção total referente às safras 2001 a 2005; (b) intensidade da doença, através da incidência de ramos com sintomas da CVC e utilizando uma escala descritiva; (c) vigor da planta, estimado pela medida da altura da planta, diâmetro da copa, diâmetro do tronco, volume de copa e do índice de área foliar (IAF). O modelo monomolecular foi utilizado para descrever o progresso poliético da incidência da CVC, no período de 2006 a 2008, para todos os tratamentos. A partir desse modelo foi possível observar que plantas sem irrigação apresentam maior incidência de ramos com sintomas que plantas irrigadas a 100% da ETc, principalmente quando inoculadas de forma artificial. Esse resultado ficou ainda mais evidenciado quando se avalia o número de frutos com sintomas (ø < 50mm) da CVC por tratamento. Também foi possível observar que os sintomas nas plantas são distribuídos de forma irregular, apresentando um gradiente decrescente significativo da parte superior para inferior. As variáveis relacionadas ao vigor da planta, na sua maioria, não apresentaram relação alguma com a produção em todos os tratamentos. De modo geral, as plantas do tratamento irrigado a 100% da ETc combinado com inoculação natural apresentaram maior produção total, considerando as safras de 2001 a 2008. A relação entre CVC e dano pode ser descrita pela equação (y=114,067*exp(-0,017555)*x) onde y é a produção da planta em Kg e x a incidência de ramos com CVC em porcentagem. A escala descritiva não permitiu avaliação precisa e apresentou baixa correlação entre os avaliadores, o contrário foi observado realizando a avaliação da CVC através da incidência de ramos com sintomas. / The Citrus Variegated Chlorosis (CVC) caused by the bacteria Xylella fastidiosa is nowadays the disease with the most incidence in the state of São Paulo. The incidence and severity of the disease are greater in the Northern and Northwestern regions of the state where the climate is predominately warm and presents a water deficits especially in the winter. Although there is no definite proof, some studies indicate that the water deficits increases the severity of the symptoms in plants affected by the CVC. Besides, up to the present there has not been a function which relates the damage to an intensity of the disease. In that manner, the present study has been conducted in order to evaluate the effect of different irrigation levels on the polyetic progress of the CVC as well as to study methods of assessment of the disease and determine the relationship between disease intensity and yield. In order to carry out this study, an experiment was conducted in the city of Bebedouro north of São Paulo state. The experimental design was in randomized blocks in a 3 x 2 factorial scheme with the following treatments: no irrigation, irrigated with 50% and 100% of the evapotranspiration of the crop (ETc), combined with natural and artificial inoculation of X. fastidiosa. Each group was made of 6 useful plants, with 4 repetitions for each treatment, totalizing 144 useful plants. The variables quantified in each tree of the experiment were: (a) (a) yield, considering asymptomatic and symptomatic fruit in the period 2006 to 2008 and total yield on the crops from 2001 to 2005; (b) intensity of the disease through incidence of branches with symptoms of CVC and using a descriptive scale; (c) plant vigor, estimated through measure of height, crown diameter, trunk diameter, canopy volume and of the leaf area index (LAI). The monomolecular model was used to describe the polyetic progress of CVC incidence between 2006 and 2008 for all treatments. From this model it was possible to observe that plants without irrigation present greater incidence of branches with symptoms than the ones irrigated at 100% of ETc, especially when inoculated in an artificial manner. This result was even more evident when the number of fruit with symptoms is evaluated (ø < 50mm) of CVC per treatment. It was also possible to observe that the symptoms in the plants are scattered in an irregular way, presenting a significant decreasing rate from the upper to the lower part. Most of the variables related to the plant vigor did not present any relation to the production in all treatments. In general, the plants from the irrigated treatment at 100%of ETc combined with natural inoculation presented more total yield considering the harvests from 2001 to 2008. The relationship between CVC and damage can be described by the equation (y=114,067*exp(-0,017555)*x) where y is the plant yield in Kg and x is the incidence in percentage of branches with CVC. The descriptive scale did not allow accurate assessment and showed a low correlation between the raters, the opposite was observed performing the assessment of CVC through the incidence of branches with symptoms.

O objetivo principal do presente estudo foi avaliar a diversidade bacteriana endofítica cultivável associada a plantas de Citrus sinensis (L.) Osbeck sintomáticas e assintomáticas para a doença Greening, com destaque para Methylobacterium spp. Simultaneamente, como objetivo secundário, foi realizado o estudo da comunidade bacteriana endofítica de Methylobacterium spp. presente em plantas de laranja doce com e sem sintomas da Clorose Variegada dos Citros (CVC). Assim, em período chuvoso (novembro de 2008 e fevereiro de 2009) e seco (maio de 2009) foram amostradas dez plantas sadias e dez plantas doentes (Greening e/ou CVC), em dois municípios citrícolas da região central do estado de São Paulo. A confirmação da presença e/ou ausência dos fitopatógenos Candidatus Liberibacter americanus, Ca. L. asiaticus e Ca. L africanus, agentes causadores do Greening e, também, de Xylella fastidiosa, agente causador da CVC foram realizadas para todas as amostras pela técnica PCR a partir da utilização de iniciadores específicos para os respectivos fitopatógenos. Em relação à comunidade bacteriana estudada, foi realizado o isolamento e posterior quantificação do número de unidades formadoras de colônia (UFCs) totais e de Methylobacterium, caracterizadas pela presença de coloração rósea. A análise do sequenciamento parcial da região do gene 16S DNAr e agrupamentos filogenéticos dos isolados amostrados foram as metodologias adotadas para a geração dos resultados. Os resultados revelaram que a quantidade de Methylobacterium spp. isoladas em plantas sintomáticas para as doenças Greening e CVC foi expressivamente superior em relação as plantas sadias, destacando-se as espécies M. fujisawaense e M. radiotolerans, que foram os filotipos mais encontrados nas referidas amostras. As amostras vegetais coletadas em período seco, também, apresentaram maior presença da comunidade metilotrófica. A observação dos resultados da comunidade endofítica cultivável total associada a plantas sintomáticas e assintomáticas para Greening, mostrou que não houve diferenças relevantes quanto as UFCs encontradas nas plantas doentes e sadias. Foram encontradas as classes: Actinobacteria, Alfaproteobacteria, Betaproteobacteria, Gamaproteobacteria e Firmicutes e os gêneros mais frequentes foram Brevundimonas, Alcaligenes e Pantoea. Em relação às características adaptativas de Methylobacterium spp. quanto a situações de estresses, foram verificadas in vitro a produção da enzima ácido aminociclopropano-1-carboxilato deaminase (ACCd) e tolerância aos metais pesados cádmio e chumbo. Dos 62 isolados avaliados, 63% foram capazes de utilizar a molécula de 1-aminociclopropano-1-carboxilato (ACC) como fonte de nitrogênio para seu desenvolvimento. Os testes para tolerância ao metais pesados revelaram que apenas 3 isolados foram capazes de crescer em meio CHOI suplementado com sulfato de cádmio nas concentrações de 2,5 e 5,0 mM. Somente dois isolados se mostraram tolerantes ao chumbo, presente no meio CHOI suplementado com nitrato de chumbo nas concentrações 2,5 mM. Já em 5 mM, apenas um isolado foi capaz de se desenvolver. Os resultados, apresentados mostram a importância de Methylobacterium spp., sobre a comunidade endofítica cultivável de citros em dois diferentes patossistema avaliados, uma vez que em ambos foi observada uma maior quantidade de isolados do gênero em plantas doentes, sugerido uma associação com os respectivos fitopatógenos. A produção de ACCd por Methylobacterium está relacionada entre outros fatores, a interrupção da rota de síntese do etileno, composto relacionado ao estresse vegetal. Assim, a grande quantidade de Methylobacterium em plantas doentes e a produção de ACCd pelas mesmas, possivelmente, estão relacionadas ao favorecimento do patógeno mediante a redução da capacidade de resposta da planta / The aiming of this study was the evaluation of the diversity of endophytic culturable bacterial community associated with Huanglongbing (HLB) symptomatic and no-symptomatic Citrus sinensis (L.) Osbeck plants, highlighting the Methylobacterium spp. Simultaneously, it was evaluated the endophytic Methylobacterium community in sweetie orange with and without Citrus Variegated Chlorosis (CVC) symptoms. Thus, it was sampled ten healthy and no-health plants with HLB and CVC symptoms in raining (November 2008 and February are 2009) and dryed (may 2009) seasons in two provinces at São Paulo State. The presence or absence of the plant-pathogens Candidatus Liberibacter americanus, Ca. L. asiaticus e Ca. L africanus, HLB agents and Xylella fastidiosa, CVC agent, was confirmed using specific primer by PCR for all plant samples. The bacterial communities was accessed by isolation and posteriori quantification of colony forming unit (CFU) to total and Methylobacterium group that was identified according its pink coloration. To the identification and phylogenetic clusterization of the isolates was partially sequenced the 16S DNAr gene. The results showed a higher amount of isolated Methylobacterium spp. from symptomatic plants to HLB and CVC than healthy plant. M. fujisawaense and M. radiotolerans were present in these samples. The plants sampled in dryed season showed a high amount of methilotrific isolates. It was not observed a significant difference of the amount of total bacteria isolated from HLB symptomatic and no-symptomatic plants The identified classes was: Actinobacteria, Alfaproteobacteria, Betaproteobacteria, Gamaproteobacteria and Firmicutes. Brevundimonas, Alcaligenes and Pantoea were the most frequent genera. It was verified the acid aminocyclopropane-1-carboxylate deaminase (ACCd) production and the lead and cadmium tolerance as the adaptative characteristic of Methylobacterium to stress conditions. 63% of the 62 evaluated isolates were able to use the aminocyclopropane-1-carboxylate (ACC) as nitrogen source. Just 3 isolates were able to grow in supplemented CHOI media at 2.5 e 5.0 mM of sulphate of cadmium. Two isolates showed lead tolerance in the same media supplemented with nitrate of lead at 2.5 mM and just one at 5.0mM.The results showed the importance of Methylobacterium spp. to citrus culturable endophytic community in two pathossystem. In both the amount of methylotrofic isolates was higher in symptomatic plants, suggesting its association with the plant-pathogens. The Methylobacterium ACCd production has a relationship with the breaking of ethylen route. This compound is associated with vegetal stress. For this reason the high amount of Methylobacterium from symptomatic plants and the ACCd production probably is correlated with the disease development under the reduction of plant response capacity

Bacteriocinas são proteínas antimicrobianas produzidas por bactérias com importante papel na ecologia microbiana. Neste trabalho foram avaliados a produção e os efeitos destas proteínas numa fração da comunidade bacteriana de citros, pertencente aos gêneros Methylobacterium e Curtobacterium, isolada de Citrus sinensis (laranjeiras - plantas saudáveis, sintomáticas para CVC, assintomáticas para CVC) e Citrus reticulata (tangerina). Foi observada, para ambos os gêneros, uma alta freqüência de isolados produtores de bacteriocinas na comunidade endofíticas avaliada. Foi observado que esta freqüência foi maior em populações provenientes de plantas assintomáticas para CVC e em plantas de tangerina. Em Methylobacterium, as populações obtidas de plantas de tangerina e de plantas sintomáticas para CVC apresentaram uma maior freqüência de isolados produtores de bacteriocinas. Por outro lado, a população de Curtobacterium provenientes de plantas sintomáticas para CVC, apresentou a menor freqüência de isolados produtores bacteriocina. Proteínas de 3 isolados de C. flaccumfaciens foram parcialmente caracterizadas bioquimicamente, permitindo a sua classificação como bacteriocinas que foram denominadas de endoficinas. Uma destas bacteriocinas, a endoficina L foi escolhida para ser melhor caracterizada. A endoficina L parcialmente purificada apresentou um peso molecular estimado de 14 kDa e atividade in gel, e atingiu seu nível máximo de produção na fase estacionária e foi ativa contra bactérias Gram-positivas e Gram-negativas, incluindo patógenos humanos e de plantas. Para a caracterização do gene envolvido na produção desta bacteriocina uma biblioteca, em cosmídeo, de fragmentos de DNA com 40 kb foi construída e um clone exibindo atividade bacteriocinogênica foi subclonado e parcialmente seqüenciado. Esta análise revelou um operon de 2,0 kb consistindo de pelo menos três genes preditos envolvidos na produção desta bacteriocina. Análises in silico sugeriram que a endoficina L deva ser uma bacteriocina do tipo toxina que pode ser uma candidata em potencial como agente no controle biológico de X. fastidiosa e outros fitopatógenos. Os resultados obtidos sugerem que, quando C. flaccumfaciens produtores de bacteriocinas estão presentes em plantas de citros podem inibir X. fastidiosa. Por outro lado, o crescimento de X. fastidiosa parece ser favorecido pela presença de Methylobacterium a qual produz bacteriocinas contra Curtobacterium. A primeira interação poderia ser mediada por bacteriocinas como a endoficina L. Sugere-se uma interação cíclica entre tais microrganismos. O conhecimento da interação entre tais bactérias endofíticas representa um avanço no entendimento dos aspectos ecológicos da interação planta-microrganismo. / Bacteriocins are antimicrobial proteins produced by bacteria, which play a role in microbial ecology. In this work we examined the bacteriocin production and it effects under a citrus bacterial communities belonged to Curtobacterium and Methylobacterium genera isolated from Citrus sinensis (sweet orangeuninfected, symptomatic, CVC-asymptomatic) and Citrus reticulata (tangerine) . We found a high levels of bacteriocin production for both genera, these frequencies were higher in asymptomatic and tangerine plants. The highest production frequencies for Methylobacterium strains were from tangerine and symptomatic plants. C. flaccumfaciens strains from symptomatic plants presented the lowest bacteriocin frequency. Proteins from three strains of C. flaccumfaciens were partially biochemically characterized and further classified as bacteriocins termed endophycins. One of them the endophycin L, was picked for deep investigation. The endophycin L partially purified had a molecular weight estimated of 14 kDa and exhibited in gel activity. Endophycin L production started at the exponential phase and reached its highest point during the stationary phase. It was capable of inhibiting the growth of Gram-positive and Gram-negative bacteria, incluiding several human and plant pathogens. In order to characterize the related to this bacteriocin production. One cosmid clone containing a 40-Kb fragment from a genomic library of C. flaccumfaciens was selected for its bacteriocinogenic ability The fragment was subcloned and DNA sequencing revealed a 2-kb operon consisting of at least three putative genes related to endophycin production. In silico analyses suggested that endophycin L is a toxin-like bacteriocin, this bacteriocin could be a potential candidate as biological control agent against X. fastidiosa and other plant pathogens. The data indicated that when C. flaccumfaciens producers are present it inhibits X. fastidiosa, conversely X. fastidiosa growth seems to be favored by Methylobacterium species and the first interaction could be mediated by endophycins, such as endophycin L. Thus, we suggest a cyclic interaction among these microorganisms. We demonstrated that knowledge of the interaction among those endophytic bacteria represent an advance about plantmicroorganism ecological aspects.

A Xylella fastidiosa é uma bactéria gram.negativa, fastidiosa, que vive limitada ao xilema de plantas causando várias doenças de importância econômica como a doença de Pierce em videiras nos Estados Unidos e a Clorose Variegada dos Citros (CVC) no Brasil. A CVC tem afetado severamente a citricultura do estado de São Paulo pondo em risco milhares de empregos e milhões de dólares em geração de divisas. O sequenciamento do genoma de X. fastidiosa revelou genes envolvidos em possíveis mecanismos de patogenicidade dessa bactéria, entre eles um operon possivelmente envolvido na produção de um exopolissacarídeo extracelular denominado goma fastidiana. Supõe.se que esse exopolissacarídeo seja o responsável pela manutenção dos biofilmes bacterianos que causam a oclusão dos vasos xilemáticos levando ao surgimento dos sintomas da CVC. Para estudar esse operon, denominado operon gum, foram construídos vetores para a inativação dos genes gumB, gumD e gumF por duas estratégias: mutagênese por inserção.deleção e mutagênese por troca alélica. A mutagênese por inserção.deleção envolve a integração via recombinação homóloga com uma permuta.de um plasmídeo contendo uma cópia truncada do gene alvo. A mutagênese por troca alélica, por sua vez, envolve duas permutas e se caracteriza pela troca do gene alvo selvagem por uma cópia interrompida por um marcador de seleção. Nenhum mutante gum foi obtido usando.se a estratégia de troca alélica, todavia, mutantes para os genes gumB e gumF foram obtidos com sucesso pela estratégia de mutagênese por inserção.deleção. Nenhum mutante para o gene gumD foi obtido, sugerindo que essa mutação possa ser letal para a célula. A análise de células e colônias desses mutantes crescidos em meio sólido ou em suspensão não mostrou diferenças morfológicas em relação a linhagem selvagem. A inativação dos genes gumB e gumF não influenciou a capacidade de X. fastidiosa se aderir a vidro. Com o uso do gene repórter CAT, que codifica para a enzima clorafenicol acetil transferase a qual confere à bactéria resistência ao antibiótico clorafenicol foi possível verificar que a glicose não influencia na expressão desse operon ao nível de transcrição. Com o uso desse gene reporter, também foi possível identificar uma região transcrita a partir de um promotor não caracterizado, localizada na fita antisenso do operon gum. A comparação do perfil cromatográfico de proteínas solúveis totais dos mutantes e da linhagem selvagem mostrou diferenças significativas nesses pefis, indicando um efeito pleiotrópico dessas mutações. O estudo da função dos genes gumB e gumF na patogenicidade de X. fastidiosa foi impossibilitado por se ter verificado recentemente que a linhagem usada na construção dos mutantes não coloniza a planta eficientemente para a indução de sintomas em citros e tabaco em condições experimentais após inoculação mecânica. / Xylella fastidiosa is a fastidious, xylem restricted, gram.negative bacteria, that causes several economically important diseases as Pierce's disease of grapevine in USA and the Citrus Variegated Chlorosis (CVC) in Brasil. CVC affects severely the São Paulo State citriculture jeopardizing thousands of jobs and millions of dollars of incomes. The genome sequence of X. fastidiosa has revealed several genes possibly involved in the pathogenicity mechanisms of this bacterium, among them, an operon containing nine genes possibly involved in the synthesis of an exopolisaccharide named fastidian gum. This gum is possibly involved in the bacterial biofilm maintenance that causes the xylem occlusion leading to CVC symptoms development. To study this operon, named gum operon, vectors were constructed to inactivate the gumB, gumD and gumF genes by two strategies, insertion.duplication mutagenesis and allelic exchange mutagenesis. The insertion.duplication mutagenesis involves the integration a whole plasmid containing a truncated copy of the target gene by homologous recombination with one crossing over. The allelic exchange mutagenesis involves homologous recombination with two crossing overs that substitutes the wild.type copy of the target gene by a truncated copy interrupted by a selectable marker gene. No gum mutant was obtained using the allelic exchange strategy; however gumB and gumF mutants were obtained by insertion-duplication mutagenesis strategy. GumD mutant was not obtained, suggesting that the mutation in this gene is lethal to the cell. Analysis of cells and colonies of these mutants growing in solid media and in suspension hasn't reveal any morphological difference to the wild.type strain. The disruption of the gumB and gumF genes does not influenced the adhesion capacity of X. fastidiosa to the glass, used as a substrate. Using the reporter gene CAT, wich codes for cloramphenicol acetil transferase enzime confering resistance to cloramphenicol, we verified that glucose has no influence in the expression of this operon at the transcription level. Using this reporter gene, we also identified a transcribed region directed by a non characterized promoter, localized in the antisense strand of the gum operon. A comparison between the soluble protein profile of the mutants and the wild.type strain, obtained by liquid chromatography, showed significative differences, indicating a pleiotropic effect of these mutations. The study of the function of the gumB and gumF genes in the pathogenicity of X. fastidiosa was not concluded because we verified recently that the strainm, used to generate the mutants, do not colonize the plants efficiently to induce symptoms in citrus and tobacco plants after mechanical inoculation.

A interação bactéria-planta é um processo complexo que envolve diversos fatores bióticos e abióticos, podendo resultar em interações neutras, benéficas ou patogênicas. O gênero Methylobacterium tem sido descrito como endófito em diferentes plantas hospedeiras, podendo beneficiá-las por meio da promoção de crescimento vegetal e do controle de fitopatógenos. Em citros, este endófito coloniza o mesmo nicho que patógenos, e, assim, muitas espécies desse gênero são interessantes candidatas ao controle simbiótico contra Xylella fastidiosa. É conhecido que o processo de interação Methylobacterium-bactéria é coordenado por genes cuja expressão é regulada pelo sistema Quorum Sensing (QS), o qual utiliza N-acil-homoserina lactonas (AHLs) como moléculas sinalizadoras, importantes, entre outras coisas, para a formação de biofilme, encontrado em muitas plantas como estratégia de colonização bacteriana. No entanto, os mecanismos envolvidos na interação Methylobacterium-planta são ainda pouco compreendidos. Dessa forma, o presente trabalho buscou estudar, de diferentes maneiras, a interação entre Methylobacterium spp. e citros, avaliando os efeitos dessas bactérias sobre o crescimento de plântulas e a variação da expressão gênica. Neste contexto, foi verificado que a especificidade da interação bactéria-planta e a escolha do método de inoculação das bactérias são importantes para a geração de resultados benéficos sobre a germinação de sementes e o desenvolvimento da planta hospedeira. Possivelmente, a produção de AIA e a fixação biológica de nitrogênio foram os mecanismos envolvidos na promoção de crescimento de citros por Methylobacterium spp. neste estudo. Com relação à origem, essas bactérias parecem ser transmitidas horizontalmente em plantas cítricas. Visando empregar Methylobacterium spp. no controle de fitopatógenos em citros, M. extorquens AR1.6/2 foi geneticamente modificada para expressar uma endoglicanase A (EglA). Por meio de microscopia eletrônica de varredura, foi verificado que a bactéria modificada colonizou a superfície e o interior de Catharanthus roseus, planta modelo para experimentos com bactérias endofíticas e X. fastidiosa. Além disso, quando inoculada junto com X. fastidiosa, essas bactérias compartilharam o xilema das plântulas, sugerindo que durante a colonização e estabelecimento no hospedeiro estas bactérias poderiam interagir. Estudando a ação de uma AHL sobre a expressão de genes envolvidos na interação entre M. mesophilicum SR1.6/6-planta, foi observado que a presença dessa molécula foi importante na ativação da expressão dos genes mxaF, relacionado ao estabelecimento e metabolismo metilotrófico da bactéria; pat, relacionado a vantagens adaptativas e competitivas durante a colonização da planta; e acdS, envolvido com o metabolismo bacteriano e modulação de níveis hormonais na planta. A expressão dos genes crtI e sss, envolvidos com respostas a estresse e transporte de compostos, respectivamente, e do gene phoU, relacionado com patogenicidade, não foram alterados na presença da AHL nas condições avaliadas Os resultados obtidos no presente trabalho mostram que Methylobacterium spp. interagem com plântulas de Citrus spp., demonstrando especificidade entre a espécie de planta e da bactéria endofítica. Foi observado também que esta interação ocorre não somente com a planta, mas possivelmente com outras bactérias que habitam o xilema de citros. Além disso, esta interação Methylobacterium-citros-bactérias do xilema pode ser regulada por AHLs. / The bacterium-plant interaction is a complex process that involves several biotic and abiotic factors that may result in neutral, beneficial or harmful interactions. The Methylobacterium genus has been described as endophytic bacterium in different host plants. It could benefit the plants by growth promotion and control of phytopathogens. In citrus, this endophyte colonizes the same pathogen-niche, and therefore many species of this genus are interesting candidates to symbiotic control against X. fastidiosa. It is known that the process of Methylobacterium-bacteria interaction is coordinated by genes whose expression is regulated by the Quorum Sensing (QS), which uses N-acyl homoserine lactones (AHLs) as signaling molecules. Its importance is associated with the biofilm formation, found in many plants as a strategy for bacterial colonization. However, the mechanisms in Methylobacterium-plant interactions are still poorly understood. Thus, this work studied in different ways, the interaction between Methylobacterium spp. and citrus, evaluating the effects of these bacteria on the seedling growth and the variation of gene expression. In this context, it was found that the specificity of bacteria-plant interactions and the bacterial inoculation methods are important to generate beneficial results on seed germination and host plant development. Possibly, IAA production and nitrogen biological fixation were the major involved mechanisms in citrus growth promotion by Methylobacterium spp. These bacteria seem to be transmitted horizontally in citrus plant. Aiming to employ Methylobacterium spp. to control phytopathogens in citrus plant, M. extorquens AR1.6/2 was genetically modified to express an endoglucanase A (EglA) enzyme. Using scanning electron microscopy was observed that the modified bacteria colonized the surface and interior of the Catharanthus roseus, a model plant for experiments with endophytic bacteria and X. fastidiosa. Furthermore, when inoculated with X. fastidiosa, these bacteria shared the seedlings xylem, suggesting that during the colonization and establishment in the host, these bacteria could interact. Studying the action of a AHL on the expression of genes involved in the interaction between M. mesophilicum SR1.6/6- plant it was observed that the presence of this molecule was important in the activation of genes expression mxaF (related to the establishment and methylotrophic metabolism); pat (related to adaptive and competitive advantages during the plant colonization); acdS (involved in bacterial metabolism and modulation of hormone levels in the plant). Expression of crtI and sss, involved in bacterial stress and transport of compounds, respectively, and phoU, related with pathogenicity were not altered in the presence of AHL in the evaluated conditions. The results of this study demonstrated that Methylobacterium spp. interact with seedlings of Citrus spp., showing specificity between plant species and endophytic bacteria. Also, it was observed that this interaction occurs not only with the plant molecular modification levels, but possibly with other bacteria that inhabit the xylem of citrus. Also, this interaction Methylobacteriumcitrus- xylem bacteria may be regulated by AHLs.

Orientador: Alessandra Alves de Souza / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia / Made available in DSpace on 2018-08-25T07:11:43Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Pereira_WillianEduardoLino_M.pdf: 4114093 bytes, checksum: f064932e99a8077c41524b40c01c7dbe (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: A citricultura brasileira representa um setor comercial muito rico, porém a produtividade brasileira é baixa, sobretudo em razão de pragas e doenças, como a Clorose Variegada do Citros (CVC), causada pela bactéria Xylella fastidiosa que afeta todas as variedades de laranja doce (Citrus sinensis). O melhoramento genético de citros é um desafio em virtude da baixíssima variabilidade genética e do grande avanço de pragas e doenças. Uma alternativa para acelerar a obtenção de plantas resistentes a doenças seria a obtenção de plantas transgênicas. A seleção de genes candidatos em citros seria uma excelente estratégia, não fossem dificuldades para transformação genética como escapes, enraizamento, enxertia e longo ciclo da cultura. A solução para acelerar o conhecimento do potencial do gene em conferir resistência ao patógeno seria então o uso de hospedeiros alternativos como Nicotiana tabacum e Arabidopsis thaliana, pois possuem grande informação genética, protocolos simples de transformação e ciclo de vida curto. Devido à identificação prévia por transcritoma de genes possivelmente associados à resistência de Citrus reticulata a X. fastidiosa, torna-se necessário o estudo da função desses genes para aplicação por transgenia visando resistência em C. sinensis. Assim, o objetivo do trabalho foi utilizar plantas modelo (tabaco e Arabidopsis) para estudo funcional desses genes potenciais. Nossos resultados indicaram que Arabidopsis é moderadamente resistente à infecção por X. fastidiosa, uma vez que a bactéria não consegue colonizá-la eficientemente. Utilizando plantas mutantes de Arabidopsis para os genes candidatos RPS5, RAP2.2, MOA2.2, PseudoNBS, ERF73, RD22 e ATJ2 (homólogos aos diferencialmente expressos em C. reticulata sob infecção) verificou-se que dois deles, RPS5 e RAP2.2, estão envolvidos na resistência à bactéria, pois na ausência deles a bactéria colonizou mais eficientemente o hospedeiro, e portanto, são bons candidatos para superexpressão em C. sinensis visando resistência à CVC. RPS5 codifica uma proteína do tipo CC-NBS-LRR, comumente responsável pelo reconhecimento de moléculas dos patógenos e desencadeando vias de sinalização, enquanto o gene RAP2.2 codifica um fator de transcrição relacionado à uma via de sinalização mediada por etileno, de forma a desencadear respostas contra a infecção. Em relação a tabaco foi estudado a colonização da bactéria visando estabelecer um bioensaio quantitativo. Nesse sentido, foi elaborada e validada uma escala diagramática para correta aferição da severidade da doença nas folhas. Também foi estabelecida uma correlação entre níveis de severidade e população bacteriana, permitindo estimar a população bacteriana na folha a partir da análise de severidade. Um bioensaio mais rápido foi estabelecido para avaliação do gene soyBiPD, candidato à conferir resistência a X. fastidiosa. Entretanto, nossos resultados demonstram que esse gene não confere resistência à esse patógeno na planta modelo, não sendo, portanto, candidato para transformar C. sinensis visando resistência a CVC. Num curto período de tempo, oito genes candidatos foram avaliados e dois apresentaram resultados promissores (RPS5 e RAP2.2), sendo selecionados para transformação em C. sinensis visando tolerância a CVC. Isso comprova a importância de plantas modelo no estudo e seleção de genes promissores e a consequente redução de custos, trabalho e tempo para obter respostas acerca da potencialidade dos genes / Abstract: The Brazilian citrus agribusiness is a very important commodity; nevertheless Brazilian citrus productivity is low, mainly due to pests and diseases that affect the culture. The Citrus Variegated Chlorosis (CVC), caused by the bacterium Xylella fastidiosa is one of the most important diseases, since it affects all varieties of sweet oranges. Citrus breeding programs could be used to solve this problem however the breeding is a challenging due to the very low genetic variability and the breakthrough of pests and diseases. An alternative to accelerate the obtaining of resistant plants to diseases could be through of transgenic plants. The selection of candidate genes in citrus would be an excellent strategy, if there were not difficulties in genetic transformation. The solution to accelerate the knowledge of gene to confer pathogen resistance is the use of alternative hosts such as the Nicotiana tabacum and Arabidopsis thaliana. Both hosts have great genetic information, simple protocol of transformation and short life cycle. Due to the prior identification by transcriptome of genes possibly associated with resistance of C. reticulata to X. fastidiosa become necessary to study the function of these genes. Thus, the goal of this study was to use model plants (Arabidopsis and tobacco) for functional study of potential genes to confer X. fastidiosa resistance and use them in C. sinensis in a transgenic approach. Our results indicated that Arabidopsis is moderately resistant to infection by X. fastidiosa, since bacteria cannot colonize it efficiently. Using mutant plants to the candidate genes RPS5, RAP2.2, MOA2.2, PseudoNBS, ERF73, RD22 and ATJ2 (homologous to the differentially expressed in C. reticulata under infection) it was found that RPS5 and RAP2.2 are probably involved in resistance to this bacterium, since the mutants were more susceptible to X. fastidiosa, therefore they are good candidates for overexpression in C. sinensis aiming CVC resistance. The RPS5 gene encodes a protein of the CC-NBS-LRR type commonly responsible for the recognition of molecules of pathogens and triggering signaling pathways, while RAP2.2 gene encodes a transcription factor related to the signaling pathway mediated by ethylene, triggering responses against infection. Regarding tobacco we study the colonization of bacteria to establish a quantitative bioassay. In this sense, was developed and validated a diagrammatic scale for accurate measurement of disease severity in the leaves. A correlation between levels of severity and bacterial population, allowing estimation of the bacterial population in plant from the analysis of severity, was also established. A faster bioassay was established for evaluation of soyBiPD gene, candidate to confer resistance to X. fastidiosa. However, our results demonstrate that this gene does not confer resistance in the plant model, and therefore would not be used to transform C. sinensis. In a short time, eight candidate genes were evaluated and two of them showed promising results (RPS5 and RAP2.2). These results demonstrate the importance of model plants in accelerate the knowledge of candidate genes and consequent the reduction of costs, labor and time to obtain responses about the potentiality of genes to confer pathogen resistance / Mestrado / Genetica Vegetal e Melhoramento / Mestre em Genética e Biologia Molecular

Orientador: Alessandra Alves de Souza / Texto em português e inglês / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia / Made available in DSpace on 2018-08-25T17:07:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Niza_Barbara_M.pdf: 2368175 bytes, checksum: 2c97ffad74e7a3e1c33ae99c78818b99 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: A citricultura brasileira é um importante setor para a economia do país, contribuindo com superávits comerciais e geração de empregos, entretanto, o setor passa por uma grave crise econômica em decorrência do alto custo de produção e do baixo valor pago pela caixa de laranja no Brasil. O principal motivo do alto custo de produção é a alta incidência de pragas e doenças que atingem essa cultura. Dentre as doenças, a Clorose Variegada do Citros (CVC) causada pela bactéria Xylella fastidiosa e transmitida a seus hospedeiros por cigarrinhas vetoras, é a que até hoje causou mais danos à citricultura brasileira. O mecanismo de patogenicidade da X. fastidiosa permanece não conclusivo porém a hipótese mais aceita está relacionada à facilidade da bactéria em colonizar o hospedeiro, ou seja, em se movimentar e multiplicar dentro dos vasos do xilema da planta infectada, seguido da formação do biofilme. O conhecimento da doença bem como das interações planta-patógeno e vetor-patógeno estão muito avançados para a doença de Pierce (PD), doença causada pela X. fastidiosa em videiras nos Estados Unidos. Esse avanço no conhecimento para PD ocorreu principalmente devido à obtenção de estirpes geneticamente modificadas da bactéria, permitindo a execução de estudos funcionais e de colonização. A implementação da aquisição de X. fastidiosa em sistema de dieta artificial para estudos com o vetor também foi de grande contribuição para esse avanço, uma vez que esse sistema elimina a utilização de plantas fonte para aquisição da bactéria. Em citros, sabe-se que existem fontes de resistência natural à CVC como tangerinas, tangors, limas e limões, entretanto, todas as variedades de laranja doce plantadas no Brasil são suscetíveis a essa doença. Sabe-se também que há uma resposta genética diferente entre um genótipo resistente e o suscetível quando inoculados com X. fastidiosa, porém, não se conhece como se dá a colonização in planta, e se existe uma correlação entre a resposta genética da planta e o comportamento da bactéria. Buscando melhorar o entendimento dos fatores envolvidos no patossistema CVC este trabalho teve como objetivo a obtenção de uma estirpe patogênica de X. fastidiosa de citros transformada com a proteína verde fluorescente (GFP) afim de avaliar sua colonização in planta em genótipos parentais e híbridos de citros, resistentes e suscetíveis, além da implementação da aquisição de X. fastidiosa por cigarrinhas vetores por meio do sistema de dieta artificial. A obtenção do transformante de X. fastidiosa expressando GFP permitiu o acompanhamento da colonização da bactéria nos vasos do xilema de plantas suscetíveis e resistentes e a avaliação mostrou uma colonização diferenciada entre caule e pecíolo. Também foi verificado um padrão diferencial de colonização dos caules de genótipos suscetíveis em relação aos resistentes, no qual a bactéria parece não capaz de se mover em genótipos resistentes, permanecendo aprisionada no xilema primário dessas plantas, sugerindo um possível mecanismo de resistência. A implementação da aquisição de células bacterianas em sistema de dieta artificial foi estabelecida com sucesso para vetor e estirpe de X. fastidiosa em citros, abrindo perspectivas para vários estudos na área de interação vetor-patógeno e transmissão da CVC / Abstract: The citrus agribusiness is an important segment for the country economy, contributing to employment and trade surpluses, however, it is passing through an economic crisis on behalf of the high cost of production and the low price paid by the orange box in Brazil. The main reason for the high cost of production is the high incidence of pests and diseases affecting this crop. Among the diseases, the Citrus Variegated Chlorosis (CVC) is caused by the bacterium Xylella fastidiosa and transmitted to its hosts by sharpshooters, and it is the disease that more damage have been causing to the citrus agribusiness in Brazil. The X. fastidiosa pathogenicity mechanism still not clear but the currently accept hypothesis is related to its facility to colonize the host, in other words, on move and multiply within the xylem vessels of an infected host, followed by the biofilm formation. The knowledge about the disease and the interactions between plant-pathogen and vector-pathogen are advanced for the Pierce disease, which is caused by X. fastidiosa on grapes in the United States. This occurs mainly on behalf of bacterial mutant¿s obtainment, allowing functional and colonization studies, besides the artificial diet system establishment for insect vectors studies, once this system eliminates the use of source plant acquisition, a limiting factor for X. fastidiosa acquisition since its colonization in host plants is random. In citrus, is known that natural resistant sources against CVC exists like tangerine, tangors, limes and lemons, while all the sweet orange varieties grown in Brazil are susceptible. Also, was verified a different genetic response between a resistant and a susceptible genotype when inoculated with X. fastidiosa, although, the colonization process in planta still unkown as well as if there is a correlation between the plant genetic response and the bacterial behavior. In order to better understand the factors involved in the CVC pathosystem, this work had the goal of obtain a pathogenic X. fastidiosa strain from citrus transformed with the green fluorescent protein (GFP) to evaluate its colonization in planta on parent and hybrid citrus genotypes, resistant and susceptible, besides de X. fastidiosa artificial acquisition by the insect vector using the artificial diet system. Was obtained a X. fastidiosa strain transformed with the GFP which allowed the bacterial colonization monitoring within the xylem vessels of resistant and susceptible plants and this evaluation showed a differential colonization of stems and petioles. Was also verified a different stem colonization pattern between resistant and susceptible genotypes on which the bacteria seems to be not able to move in resistant ones, staying contained into the primary xylem of these plants, suggesting a possible mechanism of resistance. The bacterial cells acquisition on artificial diet system was successfully established using a citrus insect vector and bacterial strain, opening perspectives for various studies on vector-pathogen interaction and transmission of CVC / Mestrado / Genetica de Microorganismos / Mestra em Genética e Biologia Molecular

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