Araucaria angustifolia é uma espécie de conífera native do Brasil, com importância econômica, social e ecológica. Devido a sua intensa exploração ao longo dos anos, atualmente a espécie cobre apenas 2% do sua área florestal original. Neste sistema, a embriogênese somática pode ser integrada em programas de melhoramento e conservação. Além disso, a similaridade entre a embriogênese zigótica e somática tem sido usada para desenvolver estudos baseados em biologia de sistemas, a fim de otimizar o desenvolvimento do embrião somático in vitro, bem como para gerar uma melhor compreensão dos eventos moleculares, bioquímicos e fisiológicos que modulam a formação do embrião. O metabolismo dos carboidratos é uma rota central que desempenha um papel importante durante o crescimento e desenvolvimento das plantas. Além de seu papel essencial como substrato no metabolismo de carbono e energia, os açúcares também desempenham papéis importantes como moléculas sinalizadoras. Para A. angustifolia, os bancos de dados de transcriptoma e proteoma identificaram o metabolismo de carboidratos como uma via importante na modulação do processo embriogênico. Assim, o objetivo principal deste trabalho foi estudar o metabolismo de carboidratos durante três estádios da embriogênese zigótica (globular, cotiledonar e maduro) e nas fases de proliferação e maturação de linhagens celulares embriogênicas com potencial embriogênico contrastante (responsiva e bloqueada). Para tanto, foram analisados os perfis de carboidratos não estruturais e monossacarídeos de parede celular, bem como a identificação e caracterização dos principais genes e proteínas envolvidos nas respostas mediadas por carboidratos, na homeostase de comunicação célula-a-célula e na modulação do metabolismo de sacarose, amido, rafinose e parede celular. Adicionalmente, um banco de dados de metaboloma foi gerado e integrado ao transcriptoma e proteoma de A. angustifolia através de redes de co-expressão, em uma abordagem de biologia de sistema. As respostas mediadas por carboidratos que ocorrem durante a embriogênese somática de A. angustifolia se assemelham às que ocorrem nos estádios iniciais da embriogênese zigótica. Além disso, o acúmulo de sacarose e amido durante o desenvolvimento embrionário foi modulado pelas respostas de detecção de açúcar e sinalização, destacando este processo como uma característica importante que direciona a responsividade das linhas celulares embriogênicas. Associado a isso, a seletividade mediada pela comunicação de plasmodesmas e transporte vesicular na linhagem celular responsiva, apareceu como importante controle de diferenciação e desenvolvimento de tipos celulares. Embora o mecanismo completo da embriogênese somática de A. angustifolia não tenha sido completamente elucidado, nossas análises sobre as alterações metabólicas (metaboloma) durante a embriogênese zigótica e somática indicam que as redes regulatórias envolvidas no crescimento e desenvolvimento estão altamente interconectadas aos níveis de metabólito, proteína e transcrito, mostrando altas correlações entre alvos envolvidos no metabolismo de carboidratos. Os resultados obtidos fornecem informações relevantes e inéditas sobre o metabolismo dos carboidratos na embriogênese zigótica e somática de A. angustifolia, bem como fornecem subsídios para a otimização das condições in vitro para o desenvolvimento de embriões somáticos. / Araucaria angustifolia is a native conifer species of Brazil, that with economic, social and ecological importance. Due to its intense exploitation, the species cover only 2% of its original forest area. In this system, somatic embryogenesis may be integrated into breeding and conservation programs. Beside this, the similarity between zygotic and somatic embryogenesis have been used to develop studies based on system biology, in order to optimize the in vitro somatic embryo development, as well as to generate a better understanding of molecular, biochemical and physiological events that modulate the embryogenesis. Carbohydrates metabolism is a central route that plays an important role during plant growth and development. In addition to its essential role as a substrate in carbon and energy metabolism, sugars also play important roles as signal molecules. For A. angustifolia, transcriptome and proteome databases identified carbohydrates metabolism as an important pathway in the modulation of embryogenic process. Thus, the main objective of this work was to study the carbohydrates metabolism during three zygotic embryogenesis stages (globular, cotyledonal and mature) and in proliferation and maturation phases of embryogenic cell lines with contrasting embryogenic potential (responsive and blocked). To achieve this purpose, the profiles of non-structural carbohydrates and cell wall monosaccharides were generated, as well as the identification and characterization of the main genes and proteins involved in carbohydrate-mediated responses, cell-to-cell communication homeostasis and modulation of sucrose, starch, raffinose and cell wall metabolism. Additionally, a metabolome database was generated and integrated with A. angustifolia transcriptome and proteome through co-expression networks in a system biology approach. The carbohydrate-mediated responses that occur during A. angustifolia somatic embryogenesis resembled those occurring in the early stages of zygotic embryogenesis, where the main responses that affect the targeting of the tissue differentiation of the seed occur. Beside this, sucrose and starch accumulation during embryo development were modulated by sugar sensing and signaling responses, highlighting this process as an important trait that directs the responsiveness of embryogenic cell lines. Associated to this, the selectivity mediated by plasmodesmata communication and vesicular transport in the responsive cell line, appeared as an important control of cell types differentiation and development. Even though the complete mechanism of A. angustifolia somatic embryogenesis has not been completely elucidated, our analyses about the metabolic changes (metabolome) during zygotic and somatic embryogenesis indicate that the regulatory networks involved in growth and development are highly inter-connected at the metabolite, protein and transcript levels, showing high correlations between targets involved in carbohydrate metabolism. The results obtained provide relevant and inedited information about the carbohydrates metabolism in A. angustifolia zygotic and somatic embryogenesis, as well as provide news subsidies for optimization of in vitro conditions for somatic embryos development.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:usp.br/oai:teses.usp.br:tde-21052019-143621 |
| Date | 17 August 2018 |
| Creators | Navarro, Bruno Viana |
| Contributors | Buckeridge, Marcos Silveira, Floh, Eny Iochevet Segal |
| Publisher | Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP |
| Source Sets | Universidade de São Paulo |
| Language | Portuguese |
| 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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