Plants respond to insect and pathogen attack by inducing and accumulating a large set of defense proteins. Colonization of sugarcane stalk by opportunistic fungi, such as Fusarium verticillioides and Colletotrichum falcatum, usually occurs after Diatraea saccharalis (Lepidoptera: Cambridae) caterpillars attack increasing the damage caused by the borer. Two homologous of BARWIN protein were identified in sugarcane, SUGARWIN1 and SUGARWIN2. Their gene expression is induced in response to wound and Diatraea saccharalis damage. However, the recombinant SUGARWIN protein does not affect insect development; but promotes significant morphological and physiological changes in Fusarium verticillioides and Colletotrichum falcatum, which lead to fungal cell death via apoptosis, indicating that SUGARWINs may work as a first layer of defense against the fungi infection. In this study, we deepen our understanding of the role of SUGARWINs in plant defense and the molecular mechanisms by which these proteins affect fungi by elucidating their molecular targets. Our results show that SUGARWINs play an important role in plant defense against opportunistic pathogens. We demonstrated that SUGARWINs are induced by C. falcatum, and the induction of SUGARWINs can vary among sugarcane varieties. The sugarcane variety exhibiting the highest level of SUGARWIN induction exhibited a considerable reduction in C. falcatum infection. Furthermore, SUGARWIN1 exhibited ribonuclease and chitinase activity, whereas SUGARWIN2 exhibited only chitinase activity. This variable enzymatic specificity seems to be the result of divergent amino acid composition within the substrate-binding site. Additionally, plants attacked by insects and pathogens display profound physiological, morphological and chemical changes or adaptations, which may result in organism attraction or avoidance. In this study, we also aimed to understand the insect-fungi association in sugarcane and the role of fungal volatile compounds in this association. Our results have shown that D. saccharalis positively influences C. falcatum infection on sugarcane, inducing a fast growing when compared to C. falcatum treatment without D. saccharalis attack. In addition, both fungi, C. falcatum and F. verticillioides, have been shown a double effect on D. saccharalis caterpillar, they promoted a strong attraction for insects due volatile organic compound emission and positively influenced D. saccharalis feeding and weight gain in diets supplemented with fungi. Fungal volatile organic compounds from C. falcatum and F. verticillioides were identified and quantified; acoradiene and acorenol were specifically induced by the fungi. These data suggest a synergistic interaction, mediated by organic volatile compounds, between D. saccharalis and the fungi C. falcatum and F. verticillioides in sugarcane. / As plantas respondem ao ataque de insetos e patógenos induzindo e acumulando um grande conjunto de proteínas de defesa. A colonização do caule de cana por fungos oportunistas, como Fusarium verticillioides e Colletotrichum falcatum, geralmente ocorre após o ataque de lagartas de Diatraea saccharalis (Lepidoptera: Cambridae), resultando no aumento do dano causado pelo inseto. Dois homólogos da proteína BARWIN foram identificados em cana-de-açúcar, SUGARWIN1 e SUGARWIN2. A expressão desses genes é induzida em resposta ao ferimento mecânico e ao ataque de Diatraea saccharalis, entretanto, a proteína não afeta o desenvolvimento do inseto, mas promove alterações morfológicas e fisiológicas significativas em Fusarium verticillioides e Colletotrichum falcatum, causando a morte destes fungos por apoptose. Esses dados indicam que as SUGARWINs podem funcionar como uma defesa inicial contra a infecção fúngica. Neste estudo, aprofundamos nosso entendimento do papel das SUGARWINs na defesa de plantas e os mecanismos moleculares pelos quais essas proteínas afetam os fungos, elucidando seus alvos moleculares. Nossos resultados mostraram que as SUGARWINs desempenham um papel importante na defesa da planta contra patógenos oportunistas. Foi demonstrado que essas proteínas também são induzidas por C. falcatum em cana-de-açúcar, e sua indução pode variar entre as variedades de cana-de-açúcar. A variedade de cana-de-açúcar que apresentou o maior nível de indução de SUGARWINs apresentou uma redução considerável na infecção por C. falcatum. Além disso, SUGARWIN1 exibiu atividade de ribonuclease e quitinase, enquanto que SUGARWIN2 exibiu apenas atividade de quitinase. Esta especificidade enzimática parece ser o resultado da composição divergente de aminoácidos no sítio de ligação do substrato. Além disso, as plantas atacadas por insetos e patógenos exibem profundas alterações fisiológicas, morfológicas e químicas ou adaptações, que podem resultar em atração ou repelência do organismo, dessa forma, estudamos também a associação inseto-fungos na cana-de-açúcar, e o papel dos compostos voláteis fúngicos nessa associação. Nossos resultados mostraram que D. saccharalis influencia positivamente a infecção por C. falcatum em cana-de-açúcar, induzindo crescimento rápido do fungo quando comparado ao tratamento com C. falcatum sem ataque de D. saccharalis. Além disso, ambos os fungos, C. falcatum e F. verticillioides, mostraram um efeito duplo sobre lagartas de D. saccharalis, promovendo uma forte atração desses insetos devido à emissão de compostos orgânicos voláteis e influenciando positivamente a alimentação de D. saccharalis e ganho de peso em dietas suplementadas com fungos. Os compostos orgânicos voláteis fúngicos de C. falcatum e F. verticillioides foram identificados e quantificados; acoradieno e acorenol foram especificamente induzidos pelos fungos. Estes dados sugerem uma interação sinergistica, mediada por compostos orgânicos voláteis, entre D. saccharalis e os fungos C. falcatum e F. verticillioides em cana-de-açúcar.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:usp.br/oai:teses.usp.br:tde-16082017-093738 |
| Date | 10 March 2017 |
| Creators | Franco, Flávia Pereira |
| Contributors | Silva Filho, Marcio de Castro |
| Publisher | Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP |
| Source Sets | Universidade de São Paulo |
| Language | English |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | Tese de Doutorado |
| Format | application/pdf |
| Rights | Reter o conteúdo por motivos de patente, publicação e/ou direitos autoriais. |
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