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UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA “JULIO DE MESQUITA FILHO”
FACULDADE DE CIÊNCIAS AGRONÔMICAS
CAMPUS DE BOTUCATU
AÇÃO DE INDUTORES BIÓTICOS E ABIÓTICOS NO CONTROLE DA
FERRUGEM DO EUCALIPTO, ATIVIDADE ENZIMÁTICA E
EXPRESSÃO GÊNICA DURANTE O PROCESSO DE INFECÇÃO
LEONARDO PIRES BOAVA
Tese apresentada à Faculdade de Ciências
Agronômicas da UNESP – Campus de
Botucatu, para obtenção do título de Doutor em
Agronomia (Proteção de Plantas)
BOTUCATU-SP
Maio, 2008
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UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA “JULIO DE MESQUITA FILHO”
FACULDADE DE CIÊNCIAS AGRONÔMICAS
CAMPUS DE BOTUCATU
AÇÃO DE INDUTORES BIÓTICOS E ABIÓTICOS NO CONTROLE DA
FERRUGEM DO EUCALIPTO, ATIVIDADE ENZIMÁTICA E
EXPRESSÃO GÊNICA DURANTE O PROCESSO DE INFECÇÃO
LEONARDO PIRES BOAVA
Engenheiro Agrônomo
Orientador: Prof. Dr. Edson Luiz Furtado
Tese apresentada à Faculdade de Ciências
Agronômicas da UNESP – Campus de
Botucatu, para obtenção do título de Doutor em
Agronomia (Proteção de Plantas)
BOTUCATU-SP
Maio, 2008
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III
A minha amada esposa Joice por
todo companheirismo, por toda
compreensão e por todo o amor
Meus Irmãos Nelsinho e Alex, ao meu
grande amigo Gustavo Abrão
Aos meus queridos pais, Nelson e
Luiza pelo amor e apoio recebido ao
longo da minha vida
DEDICO E OFEREÇO
IV
AGRADECIMENTOS
Ao Prof. Dr. Edson Luiz Furtado pela orientação, ensinamentos, incentivos e confiança
depositada ao longo da minha formação, a quem tenho grande admiração.
Ao Prof. Dr. Sérgio Florentino Pascholati pelo aprendizado e disponibilização das estruturas do
laboratório de Fisiologia e Bioquímica de Plantas da ESALQ-USP.
À Profa. Dra. Maria Inês Tiraboschi Ferro e ao Prof. Dr. Jesus Aparecido Ferro pela
disponibilização das estruturas do laboratório de Bioquímica e Biologia Molecular (LBM) do
Departamento de Tecnologia da FCAV/UNESP/Jaboticabal e todo aprendizado.
À Profa. Dra. Sônia Marli Zingaretti pelo apoio e confecção das membranas de macroarranjo
pelo Brazilian Clone Colection Center (BCCC) FCAV/UNESP/Jaboticabal.
À equipe de melhoramento da Votorantim Celulose e Papel (VCP), por cederem material
contrastante para este estudo, na pessoa de Cezar Bonine e Donizete C. Dias.
Ao Dr. Odair José Kunh do laboratório de Fisiologia e Bioquímica de Plantas da ESALQ-USP
pelas contribuições, apoio e ensinamentos.
À Karina Maia Dabbas do LBM do FCAV/UNESP/Jaboticabal pela dedicação, apoio
incondicional e contribuições para realização do trabalho.
Ao Dr. Marcelo Luiz de Laia do LBM do FCAV/UNESP/Jaboticabal pelo apoio, conselhos e
contribuições na execução do trabalho.
A todos os Professores do Departamento de Defesa Fitossanitária do curso de Proteção de Planta
da FCA/UNESP/Botucatu, em especial ao Prof. Dr. Nilton Luiz de Souza (in memorian) pelos
ensinamentos e contribuições.
V
Ao Prof. Dr. Yodiro Masuda, Dr. Amauri Siviero, Dra. Mariangela Cristofani-Yali, Dr. Marcos
Antonio Machado, Prof. Dr. Alfredo Seiiti Urashima e Profa. Dra. Marineide Mendonca
Aguillera, que contribuíram diretamente para minha formação.
A todos os amigos de curso da FCA/UNESP/Botucatu, em especial a Cecília (Virola), Helenize
(Juá), Daniel (Tanque), Basseto, Clandestino, Renata, Carlos Demant e Karina.
A toda equipe do LBM do FCAV/UNESP/Jaboticabal, Dani, Flavinha, Jú (Lolita), Flavia,
Fabiana, Gustavo, Fabrício, Poliana, Tiago, Elaine, Gi, Julinho, Rafael, Braz (Bahia), Renata,
Agda e Angela pelo aprendizado e momentos compartilhados.
A toda a equipe do laboratório de Fisiologia e Bioquímica de Plantas da ESALQ-USP. Nívea,
Maurício, André, Ricardo, Solange, Patrícia Cia, Leonardo Toffano, Maria Cristina, Marizete
Dirceu e Ely.
Aos funcionários da FCA/UNESP/Botucatu, do laboratório de Fisiologia de Bioquímica de
Plantas da ESALQ-USP e do LBM do FCAV/UNESP/Jaboticabal.
Aos meus amigos Dametto, Paula, Vandinho, Andrea, Vinícius (Lemão), Aline, Rafael (Étu),
Fernanda (Guimis), Pedro, Cláudia, Vanderlei, Renata, Gustavo, Fernando, Henrique Ré, Elton,
Tavinho, Leandro (Brancão), Gustavo Abrão, Adriana Crotti, Erezil, Milena e meu primo
Giovanny e família.
Aos meus sogros Sr. Carlos e Sra. Maria Dalva, meu cunhado Felipe e a todos os meus
familiares.
A FAPESP pela bolsa concedida para realização desse trabalho e de todos os outros desde a
iniciação científica, pelo valioso incentivo e apoio à pesquisa.
A todos que contribuíram direta ou indiretamente para que se tornasse possível a realização desse
trabalho.
VI
SUMÁRIO
RESUMO .................................................................................................................................... 1
SUMMARY ................................................................................................................................ 3
1 INTRODUÇÃO ........................................................................................................................ 5
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ................................................................................................. 8
2.1 O gênero Eucalyptus .......................................................................................................... 8
2.2 Histórico e importância econômica da cultura do eucalipto.............................................. 9
2.3 A ferrugem do eucalipto .................................................................................................. 13
2.4 Interação planta–patógeno ............................................................................................... 18
2.5 Indução de resistência ...................................................................................................... 25
2.6 Genômica funcional ......................................................................................................... 31
2.7 Projetos de genômica com eucalipto ............................................................................... 36
CAPITULO I ............................................................................................................................. 38
Efeito de indutores bióticos e abióticos na atividade de quitinase e peroxidase e no controle da
ferrugem causada por Puccinia psidii em eucalipto ............................................................. 39
RESUMO .......................................................................................................................... 39
ABSTRACT ...................................................................................................................... 40
INTRODUÇÃO ................................................................................................................. 40
MATERIAL E MÉTODOS ............................................................................................... 43
Cultivo e manutenção das plantas ..................................................................................... 43
Tratamento com indutores bióticos e abióticos ................................................................. 43
Obtenção e manutenção do patógeno, método de inoculação e avaliação ........................ 44
Determinação das atividades enzimáticas ......................................................................... 45
Obtenção dos extratos protéicos ........................................................................................ 46
Metodologia para determinação da atividade de quitinase ................................................ 46
Metodologia para determinação da atividade de peroxidase ............................................. 47
RESULTADOS E DISCUSSÃO ...................................................................................... 47
Efeito dos indutores de resistência .................................................................................... 47
Atividade de quitinase ....................................................................................................... 50
Atividade de peroxidase .................................................................................................... 53
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .............................................................................. 56
VII
CAPÍTULO II ............................................................................................................................ 62
Atividade de quitinase e peroxidase em folhas de eucalipto com diferentes estágios de
desenvolvimento após inoculação com Puccinia psidii e tratamento com Acibenzolar-S-metil
(ASM) .................................................................................................................................... 63
RESUMO .......................................................................................................................... 63
ABSTRACT ...................................................................................................................... 64
INTRODUÇÃO ................................................................................................................. 64
MATERIAL E MÉTODOS ............................................................................................... 66
Material vegetal, tratamento com indutor de resistência e inoculação .............................. 66
Obtenção dos extratos protéicos ........................................................................................ 67
Determinação da atividade de quitinase ............................................................................ 67
Determinação da atividade de peroxidase ......................................................................... 68
Delineamento experimental ............................................................................................... 68
RESULTADOS ................................................................................................................. 69
Atividade de quitinase ....................................................................................................... 69
Atividade de peroxidase .................................................................................................... 70
DISCUSSÃO ..................................................................................................................... 72
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .............................................................................. 76
CAPÍTULO III .......................................................................................................................... 79
Efeito de Acibenzolar-S-metil (ASM) e Saccharomyces cerevisiae na ativação de defesas do
eucalipto contra a ferrugem ................................................................................................... 80
RESUMO .......................................................................................................................... 80
ABSTRACT ...................................................................................................................... 81
INTRODUÇÃO ................................................................................................................. 81
MATERIAL E MÉTODOS ............................................................................................... 84
Cultivo e manutenção das plantas e tratamento com indutores de resistência .................. 84
Obtenção e manutenção do patógeno e método de inoculação ......................................... 84
Determinação das atividades enzimáticas ......................................................................... 85
Delineamento experimental ............................................................................................... 87
RESULTADOS E DISCUSSÃO ...................................................................................... 88
Efeito dos indutores na severidade da doença ................................................................... 88
VIII
Atividade de quitinase ....................................................................................................... 90
Atividade de peroxidase .................................................................................................... 93
Atividade de fenilalanina amônia-liase (FAL) .................................................................. 95
Atividade de polifenoloxidases ......................................................................................... 99
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................ 100
CAPÍTULO IV ........................................................................................................................ 106
Eucalyptus ESTs involved in the mechanisms against plant pathogen and environmental
stresses ................................................................................................................................. 107
ABSTRACT .................................................................................................................... 107
RESUMO ........................................................................................................................ 108
MATERIAL AND METHODS....................................................................................... 110
RESULTS AND DISCUSSION ...................................................................................... 111
Cell surface communications and signaling system ........................................................ 111
Detoxification genes and species reactivate of oxygen ................................................... 117
Phytoalexins .................................................................................................................... 119
Pathogenesis-related proteins (PR-Proteins) ................................................................... 120
REFERENCE .................................................................................................................. 127
CAPÍTULO V ......................................................................................................................... 135
Expressão diferencial (“macroarray”) de genes relacionados ao metabolismo de defesa de
eucalipto quando inoculados com Puccinia psidii e tratados com Acibenzolar-S-metil .... 136
RESUMO ........................................................................................................................ 136
ABSTRACT .................................................................................................................... 137
INTRODUÇÃO ............................................................................................................... 138
MATERIAL E MÉTODOS ............................................................................................. 140
Delineamento experimental ............................................................................................. 141
Extração de RNA total ..................................................................................................... 142
Sintese de cDNA ............................................................................................................. 142
Seleção das ESTs (Expressed Sequence Tag) ................................................................. 143
Preparação das membranas para macroarranjo ............................................................... 144
Metodologia de marcação com quimiluminescência e hibridização ............................... 144
Análise dos macroarranjo e análises estatísticas ............................................................. 146
IX
RESULTADOS ............................................................................................................... 147
Normalização dos dados .................................................................................................. 147
Expressão gênica após inoculação com Puccinia psidii .................................................. 148
Expressão gênica após tratamento com Acibenzolar-S-metil e inoculação com Puccinia
psidii ................................................................................................................................ 152
DISCUSSÃO ................................................................................................................... 155
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................ 163
3 CONCLUSÕES GERAIS .................................................................................................... 168
4 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 170
1
RESUMO
A ferrugem causada por Puccinia psidii é uma das principais doenças
do eucalipto no Brasil, provocando prejuízos em viveiros e no campo. Ataca plantas jovens
com menos de dois anos de idade, sempre em órgãos tenros como primórdios foliares e
terminais de galhos. A resistência genética é apontada como a melhor opção para o controle da
doença, mesmo em genótipos suscetíveis é possível ativar os mecanismos de resistência por
meio de tratamento com agentes bióticos ou abióticos, sendo conhecida como ‘indução de
resistência’. Com o objetivo de estudar os mecanismos bioquímicos e moleculares envolvidos
no processo de defesa do eucalipto contra P. psidii, quatro ensaios foram executados com
mudas de dois genótipos híbridos (Eucalyptus grandis x E. urophylla) denominados VR e C0.
No primeiro ensaio, mudas foram tratadas com Acibenzolar-S-metil (ASM), Agro-Mos,
Saccharomyces cerevisiae, Dipel, Ecolife
40
e Crop-set, cinco dias antes da inoculação com o
patógeno. A severidade da doença foi estimada 15 dias após a inoculação por meio de
comparação com uma escala de notas. Nos tratamentos mais eficientes analisou-se a atividade
das enzimas quitinase e peroxidase, 48 horas após inoculação (h.a.i). No segundo ensaio as
mudas foram tratadas com ASM cinco dias antes da inoculação e a atividade de peroxidase e
quitinase foi determinada 0, 24, 72 e 96 h.a.i nas folhas em diferentes estágios de
desenvolvimento (1º, 2º e 4º pares). No terceiro ensaio a ação dos indutores ASM e S.
cerevisiae, aplicados cinco dias antes da inoculação, foi correlacionada com possíveis
alterações bioquímicas nas plantas. A atividade de quitinase, peroxidase, fenilalanina amônia-
liase (FAL) e polifenoloxidase em folhas do 1º e 2º pares coletadas em 5 períodos 0, 24, 48, 72
2
e 96 h.a.i. foi determinada. Finalmente, no quarto ensaio foi analisado o padrão de expressão
gênica ao longo do tempo em mudas de ambos os genótipos após tratamento com ASM e,
após 5 dias, inoculação com P. psidii, em cinco períodos (0, 24, 48, 72 e 96 h.a.i.), por meio
da técnica de “macroarray”. No primeiro ensaio verificou-se que os tratamentos ASM, S.
cerevisiae e Ecolife foram mais eficientes no controle da ferrugem. Verificou-se também um
aumento da atividade de quitinase e peroxidase, em ambos os genótipos, quando tratados com
ASM e S. cerevisiae. No segundo ensaio os resultados evidenciaram que o efeito do ASM ou a
ação de P. psidii contribuíram para alterações nos níveis das enzimas apenas nas folhas em
desenvolvimento (1º e 2º pares), sendo observado maiores incrementos em plantas do clone
VR 72 h.a.i., previamente tratadas com ASM. No terceiro ensaio foi verificada diferenças de
atividade de quitinase, peroxidase e FAL em ambos os clones, seja pela ação do patógeno,
pelo efeito dos indutores de resistência ou ainda pela interação entre indutor-patógeno. No
quarto ensaio, nas plantas do clone VR, diversos genes relacionados ao fortalecimento da
parede celular, polarização celular, proteínas-RP, enzimas envolvidas na rota dos
fenilpropanóides e na peroxidação de lipídios, acúmulo de compostos fenólicos, dentre outros,
se mostraram diferencialmente expressos quando as plantas foram desafiadas pelo patógeno,
quando apenas foram tratadas com o indutor de resistência ou em plantas previamente tratadas
com indutor seguida de inoculação. Entretanto, em plantas do genótipo C0 somente houve
expressão diferencial quando as plantas foram tratadas com ASM.
__________________________________
Palavras-chave: indução da resistência, ferrugem das mirtáceas, quitinase, proteínas-RP,
macroarrays.
3
BIOTICS AND ABIOTICS INDUCERS FOR EUCALYPTUS RUST CONTROL,
ENZYMATIC ACTIVITY AND GENE EXPRESSION DURING THE INFECTION
PROCESS. Botucatu, 2008. 181p. Tese (Doutorado em Agronomia/Proteção de Plantas) -
Faculdade de Ciências Agronômicas, Universidade Estadual Paulista.
Author: LEONARDO PIRES BOAVA
Adviser: EDSON LUIZ FURTADO
SUMMARY
The rust caused by Puccinia psidii is a major disease of Eucalyptus in
Brazil, causing losses in nurseries and in the field. Attacks occur in young plants with less than
two years old, always in new branches and new leaves. The genetic resistance is recognized
how the best option for disease control. Nevertheless the susceptible genotypes is possible to
activate the resistance mechanisms through treatment with biotic and abiotic agents. In order
to study the biochemical and molecular mechanisms involved in the process of Eucalyptus
defense against P. psidii four assays were carried out with two seedlings of hybrid genotypes
(Eucalyptus grandis x E. urophylla) called VR and C0. In the first assay, seedlings were
treated with Acibenzolar-S-methyl (ASM), Agro-Mos, Saccharomyces cerevisiae, Dipel,
Ecolife
40
and Crop-Set, five days before the inoculation with the pathogen. The severity of the
disease was estimated 15 days after inoculation by comparison with a scale of notes. In the
most effective treatments analyzed the activity of enzymes chitinase and peroxidase, 48 hours
after inoculation (h.a.i). In the second assay seedlings were treated with ASM five days before
4
the inoculation and peroxidase and chitinase activity was determined 0, 24, 72 and 96 h.a.i. in
leaves of different stages of development (1st, 2nd and 3rd pairs of leaves). In the third assay
the action of ASM and S. cerevisiae, applied five days before the inoculation, was correlated
with possible biochemical changes in plants. The chitinase, peroxidase, phenylalanine
ammonia-lyase (PAL) and polyphenoloxidase activity in leaves of 1st and 2nd pairs collected
in 5 periods 0, 24, 48, 72 and 96 h.a.i was determined. Finally, in the fourth test was analyzed
the pattern of gene expression over time in seedlings of both genotypes after treatment with
ASM and, after 5 days, inoculation with P. psidii in five periods (0, 24, 48, 72 and 96 h.a.i),
through of macroarray technique. In the first assay it was found that the treatments ASM, S.
cerevisiae and Ecolife were more efficient in controlling the rust. There was also an increase
in activity of chitinase and peroxidase, in both genotypes, when treated with ASM and S.
cerevisiae. In the second test results showed that the effect of ASM or the action of P. psidii
contributed to changes of enzymes levels only in the development leaves (1st and 2nd pairs),
with larger increases observed in VR plants 72 h.a.i., treated with ASM. The third test was
found differences in chitinase, peroxidase and PAL activity in both clones, either by the action
of the pathogen, the effect of inducers of resistance or by the interaction between pathogen-
inducers. In the fourth assay, on plants of the VR genotype, several genes related to the
strengthening of the cell wall, cell polarization, PR-proteins, enzymes involved in the route of
phenylpropanoides and peroxidation of lipids, accumulation of phenolic compounds, among
others, were differentially expressed in the plants were challenged by the pathogen, when only
were treated with the resistance inducers or treated with inducer followed by inoculation.
However, plants in the genotype C0 differential expression was only when the plants were
treated with ASM.
__________________________________
Key-words: induction of resistance, mirtaceous rust, chitinase, PR-proteins, macroarrays
5
1 INTRODUÇÃO
A competitividade do Brasil frente aos demais países produtores de
eucalipto deve-se ao clima tropical, somado a pesquisa na geração de tecnologias o que
oferece ao agronegócio as seguintes vantagens: taxa de crescimento das espécies dez vezes
maior que a do hemisfério norte; disponibilidade de áreas para plantios; domínio tecnológico;
facilidade de acesso marítimo; gestão profissional e mão de obra qualificada para as indústrias,
que podem e devem elevar seu aproveitamento tecnológico e produtivo, através da introdução
da atividade nas diversas regiões brasileiras com aptidão a eucaliptocultura intensiva (Roxo,
2003).
Entretanto, como toda espécie cultivada em grandes áreas no Brasil, o
eucalipto é suscetível a uma série de doenças desde a fase de viveiro até os plantios adultos. A
doença, como fenômeno biológico, interfere nos processos fisiológicos da planta e
determinam um mau desempenho de suas funções vitais. Esta interferência prejudicial provoca
uma redução da eficiência fisiológica nas plantas, ocasionando danos que resultam em
significativos impactos econômicos, de acordo com a espécie atacada e com a época do ano
(Krugner,1995). Dentre essas, a ferrugem causada por Puccinia psidii Winter tem sido
limitante ao estabelecimento de novos plantios e à condução por rebrota de materiais
suscetíveis, após o corte raso. Além disso, esta doença tem ocorrido em mini-jardins clonais
destinados à produção de brotos para miniestaquia e tem afetado a multiplicação clonal do
eucalipto (Teixeira, 2004).
Devido à existência de variabilidade no grau de resistência tanto entre
espécies de Eucalyptus quanto entre procedências de uma mesma espécie, a resistência
6
genética é apontada como a melhor opção para o controle da ferrugem do eucalipto. A
resistência pode também ser ativada em plantas suscetíveis após a infecção localizada por
fitopatógenos ou em resposta ao tratamento com agentes bióticos ou abióticos, sendo
conhecida como ‘indução de resistência’ (Hammerschmidt & Dann 1997). O fenômeno da
resistência induzida tem sido demonstrado em muitas espécies de plantas, onde vários estudos
têm revelado a expressão de respostas de defesa contra vários e importantes agentes causais de
doença vegetal, tais como vírus, fungos, bactérias e nematóides, cujos diferentes mecanismos
têm sido estimulados por várias substâncias (Sobrinho, 2004).
A planta ao ser invadida por um patógeno pode desencadear uma série
de mecanismos de defesa na tentativa de conter o agente agressor. As plantas possuem fatores
estruturais e bioquímicos pré-existentes (passivos, constitutivos) que estão envolvidos no
processo de resistência antes da infecção pelo patógeno, tais como cutícula, tricomas, fibras e
vasos condutores, fenóis, alcalóides, lactonas insaturadas, glicosídeos fenólicos e
cianogênicos, fototoxinas e inibidores protéicos. Após a infecção, pode aumentar o nível de
compostos de defesa pré-existentes nas plantas ou ocorrer a ativação de outros mecanismos de
resistência (pós-formados) que são sintetizados e acumulados nos tecidos do hospedeiro como
as proteínas relacionadas à patogênese (proteínas-RP), fitoalexinas, calose, lignina, papilas,
camadas de cortiça e tiloses (Pascholati & Leite, 1995).
Os conhecimentos gerados nas diferentes linhas de pesquisa dentro da
área de fitopatologia poderão ser utilizados em programas de melhoramento genético, visando
o desenvolvimento de cultivares resistentes à doenças, garantindo assim, um incremento na
produtividade destas culturas (Fernandes, 2005). Desta forma, estudos que visem à elucidação
dos mecanismos bioquímicos e moleculares envolvidos no processo de defesa da planta contra
o ataque de fitopatógenos devem ser priorizados, visando um maior entendimento destes
processos e, consecutivamente, gerando conhecimentos que subsidiarão projetos
biotecnológicos. Segundo Guzzo (2004) a identificação de genes de hospedeiros envolvidos
em respostas de defesa é importante para a elucidação dos mecanismos de resistência em
plantas contra fitopatógenos. A seleção diferencial de bibliotecas de cDNA (DNA
complementar) produzidas a partir de RNA mensageiros (mRNA) isolados de plantas
inoculadas, tratadas com elicitores ou indutores de resistência, tem sido utilizada para
identificar genes relacionados à defesa em muitas interações hospedeiro-patógeno.
7
Para a elucidação dos mecanismos de defesa do eucalipto contra o
fungo Puccinia psidii os objetivos do presente trabalho foi verificar o efeito de indutores de
resistência bióticos e abióticos na redução da severidade da doença; comparar o metabolismo
relacionado à defesa em folhas com diferentes níveis de desenvolvimento de plantas
resistentes e suscetíveis à ferrugem, determinando a atividade de peroxidase e quitinase;
avaliar o potencial dos indutores acibenzolar-S-metil e levedura Saccharomyces cerevisiae e
correlacionar possíveis alterações bioquímicas no sistema de defesa da planta, dosada a partir
da atividade das enzimas: quitinase, peroxidase, fenilalanina amônia-liase e polifenoloxidase e
com o auxílio da técnica de ‘macroarray’ verificar o padrão de expressão de ESTs (“expressed
sequence tags”), provenientes de bibliotecas de cDNA construídas pelo projeto Genoma do
Eucalyptus - FORESTs (EUCALYPTUS GENOME SEQUENCING PROJECT
CONSORCIUM), relacionadas ao sistema de defesa do eucalipto quando inoculados com
Puccinia psidii ou quando tratados com indutor de resistência Acibenzolar-S-metil.
Para atingir esses objetivos a presente tese será dividida em cinco
capítulos, sendo o primeiro capítulo intitulado “Efeito de indutores bióticos e abióticos na
atividade de quitinase e peroxidase e no controle da ferrugem causada por Puccinia psidii em
eucalipto” redigido em português conforme as normas da revista Summa Phytopathologica; o
segundo: “Atividade de quitinase e peroxidase em folhas de eucalipto com diferentes estágios
de desenvolvimento após inoculação com Puccinia psidii e tratamento com Acibenzolar-S-
metil (ASM)” redigido em português conforme as normas da Revista Fitopatologia Brasileira;
o terceiro: “Efeito de Acibenzolar-S-metil (ASM) e Saccharomyces cerevisiae na ativação de
defesas do eucalipto contra a ferrugem do eucalipto” que deverá ser redigido em inglês
conforme as normas da revista Phytopathlogy; o quarto: “Eucalyptus ESTs involved in the
mechanisms against plant pathogen and environmental stresses” redigido em inglês conforme
as normas da revista Summa Phytopathologica e o quinto: “Expressão diferencial
(“macroarray”) de genes relacionados ao metabolismo de defesa de eucalipto, quando
inoculados com Puccinia psidii e tratados com Acibenzolar-S-metil” que deverá redigido em
inglês conforme as normas da revista Genetics and Molecular Biology.
8
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 O gênero Eucalyptus
O gênero Eucalyptus pertence à família Myrtaceae e possui como
centro de origem a Austrália e regiões próximas como Timor, Indonésia, Papua Nova Guiné,
Molucas, Irian Jaya e sul das Filipinas, em uma faixa compreendida entre latitudes 9
o
N e 44
o
S (Eldridge et al., 1993). Apresenta uma ampla plasticidade e dispersão mundial, crescendo
satisfatoriamente em diferentes situações edafoclimáticas, extrapolando àquelas das regiões de
origem (Santos et al., 2001). O nome eucalipto deriva do grego: eu (= bem) e kalipto (=
cobrir), referindo-se à estrutura globular arredondada de seu fruto, caracterizando o opérculo
que protege bem as suas sementes. Existem cerca de 500 a 700 espécies de eucalipto descritas,
além de muitas subespécies e alguns híbridos naturais (Bertolucci et al., 1995).
Pryor & Johnson (1971), dividiram o gênero Eucalyptus em 7
subgêneros (Corymbia, Blakella, Eudesmia, Ganbaea, Idiogenes, Monocalyptus e
Symphyomyrtus). Um oitavo subgênero, Telocalyptus, foi mais tarde sugerido por Johnson
(1976). Recentemente, os subgêneros Corymbia e Blakella, foram formalmente separados do
restante dos Eucalyptus em um novo gênero denominado Corymbia (Hill & Johnson, 1995). O
panorama mais recente sobre filogenia do Eucalyptus, o qual consistiu basicamente de análises
de caracteres morfológicos e moleculares, relata duas grandes linhagens, uma compreendendo
o gênero Angophora e Corymbia e outra compreendendo todos os subgêneros de Eucalyptus
9
(Hill & Johnson, 1995; Araújo et al., 2002). O sub-gênero Simphoyomyrtus é o grupo que
apresenta a maior parte das espécies cultivadas no mundo e apresenta nove seções, das quais
três contém praticamente todas as espécies mais cultivadas como exóticas: Seção
Transversaria (E. grandis, E. saligna, E. urophylla); Seção Exsertaria (E. camaldulensis, E.
exserta, E. tereticornis); Seção Maidenaria (E.globulus, E. viminalis). Assim, o eucalipto
compreende todas as plantas do gênero Eucalyptus, com 500 espécies descritas, além de
muitas subespécies e alguns híbridos naturais (Brooker & Kleining, 1990).
O eucalipto possui flores morfologicamente bissexuadas
(hermafroditas), apresenta ampla faixa de padrões de cruzamento, desde autofecundação
causada por cleistogamia, até fecundação cruzada obrigatória, devido à autoincompatibilidade,
macho esterilidade ou esterilidade feminina (Pryor, 1957, Davis, 1969, Carr et al., 1971,
citados por González, 2002). Nas populações naturais, as espécies cultivadas de eucalipto
exibem um sistema de cruzamento misto, mas predominantemente alógamo. Análises de
isoenzimas de sementes de uma série de espécies resultaram em uma taxa de alogamia
estimada, (t) da ordem de 0,75 (Moran & Bell, 1983).
Segundo Eldridge et al. (1994) das 108 espécies do gênero Eucalyptus,
95 espécies apresentam número básico de cromossomos 2n=22 da mesma forma que a maioria
dos gêneros da família Myrtaceae. As demais 13 espécies apresentam 2n=24, sendo que, entre
estas, somente E. cladocalyx é plantada com finalidade de produção de madeira (Eldridge et
al., 1994). Os cromossomos neste gênero são extremamente pequenos o que dificulta uma
contagem acurada (Ruggeri, 1961) e não há repetições que possam confirmar valores de
2n=24. Estimativas do conteúdo de DNA nuclear para as espécies examinadas por
Grattapaglia & Bradshaw (1994) variaram entre 0,77 pg para E. citriodora e 1,47 pg para E.
saligna, o que corresponde a um genoma haplóide de 370- 700 mega pares de bases.
2.2 Histórico e importância econômica da cultura do eucalipto
Historiadores mencionam que, por volta de 1774, o eucalipto foi
introduzido na Europa por Antônio Guichenot e, em 1788, foi descrito pela primeira vez pelo
botânico francês L"Héritier de Brutelle, no Sertum Anglicum, em Paris, valendo-se do
material recolhido em expedições no território australiano. Até a metade do século XIX o
10
eucalipto figurou apenas em coleções de alguns jardins botânicos, sem nenhuma importância
comercial. Na Índia, os primeiros plantios ocorreram em 1843 e, por volta de 1856, já havia
plantações de eucaliptos bem desenvolvidas. Na África do Sul, os primeiros ensaios com
eucaliptos ocorrem em 1828, na colônia do Cabo. Os primeiros ensaios na Europa, visando à
produção comercial, datam de 1854, principalmente com o E. globulus, plantados em Portugal
pelo Barão de Massarellos e por J. M. Eugênio de Almeida. Em 1863 foi introduzido na
Espanha e, em 1869 na Itália (O eucalipto, 2001).
Na América do Sul, talvez o Chile tenha sido o primeiro país a
introduzir o eucalipto em 1823, recebendo as sementes de um navio inglês. A Argentina teria
introduzido o eucalipto em seu país em 1865, através do Presidente Garcia Moreno. No
Uruguai, as primeiras sementes de eucalipto foram recebidas em 1853. É difícil se determinar,
com segurança, a data de introdução do eucalipto no Brasil. Acredita-se que os exemplares
mais antigos encontrados no país são de E. robusta e E. tereticornis, plantados pelo Imperador
D. Pedro I no Jardim Botânico do Rio de Janeiro, em 1825 (O eucalipto, 2001). No Rio
Grande do Sul, as primeiras mudas foram plantadas em 1868, por Frederico de Albuquerque
(Ferreira; Santos, 1997) e, no mesmo ano, também foram plantados alguns exemplares na
Quinta da Boa Vista, Rio de Janeiro. Até o princípio do século XX, o eucalipto foi plantado
para fins ornamentais, e também para uso como quebra-vento. Com o objetivo de realizar
pesquisas, o eucalipto foi introduzido sistematicamente no Brasil em 1903, por Edmundo
Navarro de Andrade que trabalhava na Companhia Paulista de Estradas de Ferro. Ele iniciou o
cultivo e o estudo de espécies de eucalipto visando utilizar a madeira para alimentar as
caldeiras das locomotivas, produzir moirões para ferrovias e postes para eletrificação. Navarro
de Andrade introduziu um número extraordinário de espécies no Horto Florestal de Rio Claro,
constituindo um dos mais completos bancos de germoplasma do país (Andrade, 1961; Lima,
1993).
Estimativas da área global reflorestada com eucalipto apontam para 18
milhões de ha (FAO, 2000). Há grandes áreas de plantio na Ásia tropical, concentradas
principalmente na Índia, com cerca de 8 milhões de ha, como também na América do Sul, com
aproximadamente 10 milhões de ha. A estatística é dominada pelo Brasil, onde há
aproximadamente 3,4 milhões de ha reflorestados com eucalipto (SBS, 2005). Além disso,
plantios expressivos são encontrados em países de clima temperado, incluindo China, Chile,
11
África do Sul, Portugal e Espanha. Atualmente, as dez espécies de eucalipto mais importantes
nas plantações florestais no mundo, em termos de incremento médio anual de madeira, são: E.
grandis, E. saligna, E. urophylla, E. camaldulensis, E. tereticornis, E. globulus, E. citriodora,
E. robust, e E. paniculata.
No Brasil, o eucalipto tem sido extensivamente utilizado em plantios
florestais, por diversas razões: pela grande plasticidade do gênero, devido à diversidade de
espécies adaptadas a diferentes condições de clima e solo; pela elevada produção de sementes
e facilidade de propagação vegetativa; pelas características silviculturais desejáveis, como
rápido crescimento, produtividade e boa forma do fuste; em função do melhoramento genético
e ao manejo e pela adequação aos mais diferentes usos industriais, com ampla aceitação no
mercado (Mora & Garcia, 2000; Silva, 2005).
O sucesso do eucalipto no país foi catalisado por programas de
incentivos fiscais estabelecidos pelo governo federal durante as décadas de sessenta e setenta
do século passado. Estima-se que dos 2,9 milhões de ha de reflorestamentos com eucalipto
implementados pelos programas de incentivos, 2,3 milhões de ha transformaram-se em
florestas de produção para o abastecimento de importantes segmentos consumidores (Iuseum
et al., 1988; Brazett, 1993).
As espécies mais plantadas no Brasil são: E. grandis, E. saligna, E.
urophylla, E. dunnii (BRACELPA, 2004). Entre outras espécies, destacam-se o E. cloeziana e
o E. citriodora. No entanto, da área total plantada com eucalipto no Brasil aproximadamente
50% é ocupada por algum tipo de híbrido (BRACELPA, 2004). As espécies mais
representativas podem classificar-se segundo a sua utilidade: para lenha e carvão: E. grandis,
E. urophylla, E. torelliana, por exemplo, oferecem grande quantidade de lenha em curto
prazo; para a produção de papel e celulose: E grandis, E saligna, E urophylla são as mais
apropriadas por apresentarem cerne branco e macio; para postes, moirões, dormentes e
estacas: E citriodora, E robusta, E globulus são as mais apropriadas por apresentarem cerne
duro e por resistir ao tempo; para serrarias: E dunnii, E viminalis, E grandis se apresentam
como as mais adequadas porque são espécies de madeira firme e não apresentam rachaduras
(Ambiente Brasil, 2005).
E. urophylla e E. grandis são espécies de maior interesse para a
eucaliptocultura no Brasil. Sendo utilizados para a fabricação de celulose, chapas duras,
12
produção de carvão e outros fins. O E. urophylla possui uma ampla capacidade de adaptação a
diversas condições de ambientes tropicais, aliada à tolerância ao patógeno Cyphonectria
cubensis, causador do cancro do eucalipto (Santos et al., 1990). Já, o E. grandis está adaptado
ao clima quente e úmido das regiões sudeste e nordeste da Austrália. A sua madeira é utilizada
principalmente para produção de polpa (Muro-abad, 2001). Estas duas espécies foram
utilizadas para a constituição de híbridos interespecíficos (“Urograndis”) possibilitando a
união das características mais desejáveis de ambas às espécies, tais como: boa produtividade,
adaptação ecológica e resistência ao cancro. Assim, este híbrido passou a ser o mais cultivado
no território nacional (BRACELPA, 2004; Bertolucci et al., 1995). Considerando-se as
espécies do gênero, E. grandis é a espécie majoritariamente plantada no Brasil. Pode alcançar
produções de 50-60 m
3
por hectare por ano em condições favoráveis. O E. grandis tem uma
idade de colheita menor, dependendo do uso final da madeira. Para produção de polpa e
celulose o tempo de colheita é de 5-6 anos. Já para postes de telefone a idade de colheita varia
entre 7 e 8 anos e para uso como combustível industrial entre 10 e 12 anos (FAO, 2005).
O eucalipto é cultivado para os mais diversos fins, tais como, papel,
celulose, lenha, carvão, aglomerado, serraria, óleos para indústrias farmacêuticas, mel,
ornamentação e quebra-vento. De acordo com um anuário estatístico da Associação Brasileira
de Produtores de florestas plantas de 2008 a área com eucalipto das suas associadas, por
segmento industrial, em 2007 foi 72% para industria de papel e celulose, 22% para siderurgia
e 5% para painéis reconstituídos.
A área de florestas plantadas com eucalipto no Brasil em 2007 foi de
3.751.867 ha representando um crescimento de 202.719 ha em relação ao ano de 2006. Desse
total, o estado de Minas Gerais contribui com 1.105.961 ha, seguindo do estado de São Paulo
com 813.372 ha e o estado da Bahia com 550.127 ha (ABRAF, 2008). O sistema
agroindustrial florestal, no segmento de florestas plantadas (primário e processamento
industrial) em 2007 gerou aproximadamente 4,6 milhões de empregos incluindo diretos (656
mil) indiretos (1,8 milhões) e empregos resultantes do efeito-renda (2,1 milhões).
A hibridação interespecífica tornou-se a forma mais rápida e eficiente
de obtenção de ganhos genéticos no melhoramento de espécies de Eucalyptus, com reflexos
diretos e significativos na indústria de base florestal, uma vez que, a grande diversidade
interespecífica deste gênero facilita a busca de combinações desejáveis nos programas de
13
melhoramento. A busca de complementaridade nas características tecnológicas da madeira, a
tolerância a estresses bióticos e abióticos, bem como a manifestação da heterose, foi verificada
em vários cruzamentos híbridos, como por exemplo, o híbrido interespecífico E. urograndis
(E. grandis x E. urophylla) (Assis & Mafia, 2007).
O emprego da clonagem em vez dos métodos sexuados de produção de
mudas, permitiu a transferência da variância genética total, resultando na obtenção de ganhos
máximos, sejam de produtividade volumétrica, sejam relacionados a propriedades
tecnológicas da madeira ou resistência a fatores bióticos e abióticos. A clonagem possibilitou
ainda, a produção de matéria-prima mais uniforme que, do ponto de vista industrial, representa
significativos benefícios tanto na maximização dos custos do processo industrial, quanto na
qualidade dos produtos. Dessa forma, técnicas de clonagem por micropropagação, como a
microestaquia e a miniestaquia, ganharam destaque e, milhares de árvores são selecionadas
nas populações existentes e propagadas vegetativamente, para serem incluídas nos jardins
clonais, testes clonais e plantios comerciais clonais (Oda et al., 2007).
Entretanto, como cultura inserida no Brasil, o eucalipto é suscetível à
uma série de doenças, na sua maioria, provocada por fungos patogênicos desde a fase de
viveiro até os plantios adultos. A doença, como fenômeno biológico, interfere nos processos
fisiológicos da planta, devido a elementos bióticos ou abióticos que determinam um
desempenho anormal de suas funções vitais. Esta interferência prejudicial provoca uma
redução da eficiência fisiológica nas plantas causam significativos impactos econômicos, de
acordo com a espécie atacada e da época do ano (Krugner,1995).
2.3 A ferrugem do eucalipto
O agente causal da ferrugem do eucalipto Puccinia psidii Winter,
apresenta uma distribuição geográfica ampla. Apesar de ser um fungo nativo da América do
Sul e encontra-se amplamente distribuído nas Américas do Sul (Argentina, Brasil, Colômbia,
Equador, Paraguai, Uruguai e Venezuela) e Central e nas ilhas do Caribe, havendo ainda
relatos da sua presença na Flórida (Alfenas et al., 2004). Ainda não existem evidências do P.
psidii na Austrália, centro de origem do Eucalyptus (Coutinho et al., 1998). Ataca espécies da
família Myrtaceae, incluindo o eucalipto, jambeiro, goiabeira, jabuticabeira, araçazeiro,
14
pitangueira e jamelãozeiro, respondendo de maneira diferente em cada hospedeiro quanto à
agressividade (Alfenas et al., 2004; Tommerup et al., 2004). Esse patógeno é altamente
infectivo em algumas espécies economicamente importantes como goiaba e pimentão
(Coutinho et al., 1998) e várias espécies de Eucalyptus são hospedeiras do fungo, entre elas E.
citriodora, E. cloeziana, E. grandis, E. obliqua, E. pilularis e E. saligna (Krugner et al.,
1997).
As doenças fúngicas causadas por basidiomicetos pertencentes à
Ordem Uredinales são denominadas ferrugem. Tais microorganismos são ditos, atualmente,
parasitos ecologicamente obrigatórios, uma vez que algumas poucas espécies puderam ser
mantidas em laboratório, graças ao desenvolvimento de culturas axênicas (Martins et al.,
1995). Os fungos representantes da Ordem Uredinales apresentam alta especificidade em
relação a seus hospedeiros, sendo capazes de infectar um grande número de plantas
vasculares, cultivadas e silvestres (Aparecido & Figueiredo, 1999). Pertencentes a ordem
Uredinales foram relatados aproximadamente 130 gêneros e 5000 espécies que afetam plantas,
representando assim um dos maiores grupos de fungos fitopatogênicos. Atacam muitas
espécies economicamente importantes como mirtáceas, leguminosas, cereais, cafeeiro, etc
(Kaiserslautern, 2005).
Os fungos causadores de ferrugem são patógenos biotróficos requerem
a maquinaria celular do hospedeiro para poder alimentar-se e reproduzir-se. As hifas
especializadas destes, chamadas de haustórios, podem realizar interações estáveis com os
hospedeiros, que podem durar até meses. O propósito deste patógeno é realizar uma infecção
estável e causar um dano mínimo no seu hospedeiro (Mendgen & Hahn, 2002).Depois da
germinação dos uredósporos da ferrugem sobre a superfície foliar, a hifa penetra dentro da
planta pelas aberturas estomatais. Uma vez dentro do hospedeiro, um micélio intercelular
prolifera e produz o que se denomina haustório dentro das células da planta tem uma função
fundamental na absorção de nutrientes, nos tecidos vegetais. (Kaiserslautern, 2005). O
mecanismo envolvido no processo de absorção de nutrientes dentro do haustório está
relacionado a um transporte do tipo “simport”, que utiliza o potencial de gradiente dos
prótons. O gradiente protônico é produzido pela atividade de uma ATPase protônica de
membrana (Kaiserslautern, 2005).
A disseminação do patógeno se dá pela ação dos ventos, das chuvas,
15
insetos e pássaros, no entanto condições abióticas favoráveis são necessárias, como
temperaturas amenas e umidade relativa bastante elevada (Ruiz et al., 1989). Essas condições
são importantes para o desenvolvimento da doença porque atuam sobre o patógeno,
possibilitando a propagação e germinação de suas estruturas infectivas. Na ausência de
condições favoráveis, ocorre a formação de estruturas denominadas teliósporos, que
possibilitam a sobrevivência do patógeno (Figueiredo & Carvalho Jr., 1994, 1995). Como
resultado dessas estratégias de sobrevivência, a infecção primária pode ocorrer assim que as
condições tornam-se favoráveis, devido à liberação dos basidiósporos infectivos produzidos
em decorrência da germinação dos teliósporos, dando continuidade à disseminação da doença
(Ferreira, 1983).
No país a doença constitui um sério problema principalmente devido à
ocorrência de condições ambientais favoráveis praticamente durante todo o ano. Desde 1973
perdas econômicas preocupantes, de até 100%, tem sido registradas sobre espécies do gênero
Eucalyptus (Aparecido et al., 2003). A formação de orvalho é um dos fatores determinantes de
novas infecções e produção de novos urediniósporos de P. psidii. Ferreira (1983) relata que
períodos de duas a três semanas com dias de temperatura relativamente baixas e alta umidade
podem favorecer a ocorrência de surtos da ferrugem. Uma das características da ferrugem do
eucalipto é manifestar-se na forma de surtos esporádicos de curta ou, relativamente, longa
duração (um mês até mais de seis meses). Os surtos de longa duração incluem ciclos
secundários ou repetidos de infecções urediniospóricas (Ferreira, 1989).
Na presença de água livre, no escuro, e a temperaturas entre 15 e 25
o
C, ocorre a germinação dos uredosporos na superfície do hospedeiro. Essas condições
ambientais ideais prevalecem no Brasil de maio a agosto, e os maiores níveis de ferrugem em
eucalipto foram registradas nesse período. No entanto, períodos favoráveis à infecção podem
variar de ano para ano e de acordo com a região geográfica (Coutinho et al., 1998). A
penetração direta do patógeno ocorre em folhas jovens de genótipos resistentes e suscetíveis
dentro de 24 horas após a inoculação.
No Brasil a ferrugem do eucalipto foi relatada pela primeira vez em
1929 e formalmente descrita em 1944 (Joffily, 1944 citado por Souza, 2008). A doença
permaneceu sem destaque por um longo período de tempo, embora não esquecida. No entanto,
com a ampliação da área de incidência da enfermidade os surtos tornaram-se cada vez mais
16
freqüentes. A primeira constatação de que se tem notícia, acarretando danos preocupantes, é
de 1973 em viveiros e em plantações com menos de 18 meses de idade, em E. grandis -
procedência África do Sul - no Espírito Santo (Ferreira, 1983). Desde então, ataques
esporádicos, porém severos, de ferrugem do eucalipto ocorreram em viveiros e em plantações
de eucaliptos nas regiões do Vale do Rio Doce, Zona da Mata e Açucena, em Minas Gerais,
No Espírito Santo e no Sul da Bahia (Moraes et al., 1982; Castro, 1983). Levantamentos
efetuados em plantios seminais de E. grandis nas regiões do Vale do Paraíba e sul do Estado
de São Paulo revelaram que 35% das árvores apresentavam ferrugem (P. psidii) aos 6 meses
de idade. As plantas altamente infectadas tiveram reduções de 25 a 35% em altura e diâmetro
quando comparada com as sadias (Silveira et al., 2003).
Este fungo produz uma doença que afeta plantas jovens, viveiros e
jardins clonais. A ferrugem do eucalipto só ataca plantas jovens com menos de dois anos de
idade, sempre em órgãos tenros como primórdios foliares, terminais de galhos e haste
principal (Figueredo, 2001). Os sintomas do ataque são pequenas pontuações na parte inferior
das folhas, levemente salientes de coloração verde clara ou vermelho-amarelada. Após duas
semanas as pontuações se transformam em pústulas de uredósporos amarelos. As pústulas
aumentam de tamanho e em seguida ocorre a típica esporulação uredospórica de coloração
amarela forte, nos órgãos atacados, que ficam tomados pela infecção (Rayachhetry et al.,
2001). Estas pústulas podem coalescer, recobrindo a superfície das brotações do eucalipto
quando o ataque é intenso. Em conseqüência, os tecidos afetados morrem e se secam,
adquirindo coloração negra, como se fossem queimados. Dependendo das condições
ambientais a planta pode reagir emitindo novas brotações. Com o desenvolvimento das folhas
e do caule, a massa amarela de esporos desaparece dando lugar a lesões salientes, rugosas, de
coloração marrom (Santos et al., 2001).
Nas folhas as lesões aparecem dispersas em ambas as faces da folha e
às vezes sobre a nervura principal. São comumente delimitadas por halo escuro e arroxeado.
Nos ramos a característica verrugosa das lesões se torna bastante típica. Como o ataque se dá
antes das folhas completarem o seu desenvolvimento, estas freqüentemente acabam ficando
deformadas (Santos et al., 2001). Plantas altamente suscetíveis podem ter seu desenvolvimento
comprometido pela doença, sofrendo um enfezamento quando severamente atacadas. Estas
plantas poderão ser dominadas pelas adjacentes, que, menos afetadas ou sadias, continuam
17
crescendo normalmente. Deste modo, a ferrugem do eucalipto deixou de ser uma doença cujos
danos eram consideráveis apenas em raras ocasiões (Krugner, 1980).
O controle da ferrugem de acordo com Santos (2001), em condições de
campo, não justifica os gastos com aplicações de fungicidas em função das perdas verificadas,
as melhores práticas envolvem estratégias de escape, evitando-se áreas propícias à ocorrência
da doença ou evitando-se o plantio de materiais suscetíveis nessa região. No caso de ataque
intenso no viveiro, o controle químico com fungicidas pode ser eficiente.
A resistência genética é apontada como a melhor opção para o controle
da ferrugem do eucalipto, devido à existência de variabilidade no grau de resistência, tanto
entre espécies de Eucalyptus, quanto entre procedências de uma mesma espécie (Krugner,
1997). No entanto, a forma de colonização de P. psidii (parasita obrigatório), juntamente com
a ocorrência do patógeno em uma grande extensão territorial e em uma ampla gama de
espécies hospedeiras, permitem supor a existência de raças do patógeno e colocam em risco a
durabilidade da resistência. Essa suposição é reforçada por vários estudos de inoculações
cruzadas demonstrando uma considerável variabilidade fisiológica dentro de P. psidii (Castro
et al., 1983; Ferreira, 1989; Coelho et al., 2001).
Em inoculações cruzadas de E. grandis e E. cloeziana, goiabeira e
jambeiro com P. psidii foi verificado que as quatro espécies apresentaram-se como
hospedeiras de P. psidii proveniente de eucalipto, no entanto, mostraram respostas diferentes
quanto à intensidade da infecção (Castro et al., 1983). A variabilidade fisiológica de P. psidii
também foi testada por Coelho et al. (2001) em goiabeira, jambeiro e E. grandis, utilizando-se
13 isolados do patógeno. Neste trabalho, os autores detectaram três grupos de especialização
fisiológica, sendo o grupo 1 compatível com eucalipto e jambeiro, grupo 2 com eucalipto e
goiabeira e o grupo 3 apenas com goiabeira. Furtado et al. (2005) também verificaram a
existência de especializações fisiológicas em diferentes populações do patógeno testados em
E. grandis e no híbrido ‘Urograndis’. Neste trabalho, foi observada virulência de vários
isolados para E. grandis, sendo que dois isolados induziram reação de hipersensibilidade; já o
híbrido mostrou-se mais resistente que o E. grandis.
A resistência genética para a ferrugem do eucalipto pode ser
explorada, pela presença de grande variabilidade dos indivíduos, observada nas plantações. O
desenvolvimento de um programa de melhoramento genético, através de seleção, é uma
18
alternativa recomendável para o controle da ferrugem. É possível selecionar espécies,
procedências, progênies ou clones de Eucalyptus resistentes para plantios comerciais ou para
serem usados nos programas de melhoramento genético, a partir de infecções naturais no
campo, em áreas onde a enfermidade é severa, ou preferencialmente por meio de inoculações
artificiais do patógeno em mudas, sob condições controladas (Carvalho, 1991).
Dianese et al. (1984) ao avaliarem 13 espécies de Eucalyptus,
provenientes de localidades diferentes, onde a população foi cultivada, selecionada e adaptada,
em relação a sua resistência à infecção por P. psidii, concluiram que a suscetibilidade à doença
estava relacionada à espécie em questão assim como à sua procedência. De Carvalho et al.
(1998) avaliaram o padrão de resistência de diferentes progênies das espécies E. cloeziana, E.
citridora, E. urophylla e E. pellita distribuídas em distintas procedências e detectaram
variação dos níveis de resistências tanto entre procedências e progênies da mesma espécie,
assim como entre espécies diferentes. Os autores identificaram como altamente resistentes
todas as progênies de E. citridora, E. urophylla e E. pellita, independente da procedência e
uma progênie de E. cloeziana, Ibitira X-28 arv. 4 procedente de Quadon-Austrália. As demais
progênies de Quadon-Australia de E. cloeziana dividiam-se em resistentes e suscetíveis. Ibitira
Z-28 arv. 7 e Ibitira X-33 arv. 2 apresentaram-se como resistentes e Ibitira X-29 arv.10 como
suscetível. As outras progênies de E. cloeziana apresentaram-se como suscetíveis.
2.4 Interação planta–patógeno
Fitopatógenos necessitam de seus respectivos hospedeiros para ter a
sobrevivência garantida. Nesse sentido a maioria dos patógenos retira seus nutrientes do
hospedeiro e utilizam no seu próprio metabolismo para desempenhar atividades vegetativas e
reprodutivas. Entretanto, muitos desses nutrientes encontram-se no interior do protoplasma das
células vegetais e, para ter acesso aos mesmos, o pátogeno necessita vencer as barreiras físicas
ou químicas do hospedeiro, bem como promover a colonização interna dos tecidos a partir do
sítio de infecção. Normalmente essa infecção se caracteriza pela desagregação celular e pela
utilização de nutrientes. Dessa maneira, para um patógeno infectar uma planta, é necessário
que o mesmo consiga penetrar e colonizar os tecidos do hospedeiro, retirar os nutrientes
19
necessários para sua sobrevivência, bem como neutralizar as reações de defesa da planta. Para
isso, utiliza-se de substâncias tais como: enzimas, toxinas e hormônios (Pascholati 1995).
Para que os patógenos de plantas consigam infectá-las, primeiro
precisam de sinais das plantas para induzir diferenciação e expressão de genes essenciais para
a patogenicidade. Isto se torna um passo essencial para a ferrugem, uma vez que a
diferenciação das hifas é ativada pela topografia da superfície das células da planta (Thordal-
Christensen, 2003).
O sucesso dos patógenos em atravessar a primeira barreira de defesa
depende do grau de co-evolução da relação patógeno-hospedeiro (Thordal-Christensen, 2003).
Os patógenos podem atravessar estas defesas de duas maneiras: pelas aberturas estomáticas
presentes no caule e folhas ou mediante estruturas de penetração, tal o caso de fungos, que
introduzem uma hifa especializada em perfuração através das epidermes (Holt et al., 2003).
De acordo com Mendgen et al. (1996), os eventos iniciais da infecção
ocorrem através da adesão do patógeno na cutícula e o crescimento direto de tubos
germinativos na superfície das plantas. A penetração de urediniósporos, na maioria das vezes,
é direta, através da cutícula e epiderme, entre as paredes anticlinais das células epidérmicas,
mediante a formação de apressório. Após a penetração tem início o processo de colonização
intercelular dos tecidos do hospedeiro pelo patógeno, que por meio de haustórios
intracelulares retira os nutrientes no interior das células do hospedeiro (Ferreira, 1989;
Bedendo, 1995; Alfenas et al., 2004).
Os fitopatógenos podem utilizar enzimas para degradar a parede
celular vegetal. Estas enzimas, denominadas de enzimas degradadoras da parede celular
vegetal, compreendem pectinases, cutinases, celulases, xilanases e proteases. Essas podem
apresentar ação tanto sinérgica como seqüencial na degradação dos substratos. A parede
celular das plantas superiores é constituída de até 90 % de carboidratos e 10 % de proteínas.
Apresentam celulose, hemiceluloses, substâncias pécticas, proteínas e lignina. Entretanto, a
proporção e a distribuição destes componentes é variável de acordo com células de diferentes
tecidos, idades, condições fenológico-ambientais e mecanismos de defesa da planta hospedeira
(Wulff, 2002).
Diversos fungos fitopatogênicos produzem cutinases (enzimas
degradadoras da cutina) durante o processo de infecção, auxiliando a penetração do mesmo
20
nos tecidos do hospedeiro, bem como a adesão dos esporos. A atividade das cutinases, como
auxiliares na adesão de esporos na cutícula, tem sido demonstrada em uredósporos de
ferrugens (Deising et al., 1992, citado por Mendgen et al., 1996). Pascholati (1995) também
descreveu a importância dessas enzimas, para os fungos que penetram através da superfície
intacta da planta, na degradação enzimática dessa barreira, constituindo em fator chave na
patogenicidade.
A planta, ao ser invadida por um patógeno, pode desencadear uma
série de mecanismos de defesa na tentativa de conter o agente agressor. As plantas possuem
fatores estruturais e bioquímicos pré-existentes (passivos, constitutivos) que estão envolvidos
no processo de resistência antes da infecção pelo patógeno como cutícula, tricomas,
estômatos, fibras e vasos condutores, fenóis, alcalóides, lactonas insaturadas, glicosídeos
fenólicos e cianogênicos, fototoxinas e inibidores protéicos. Após a infecção, pode aumentar o
nível de compostos de defesa pré-existentes nas plantas ou ocorrer a ativação de outros
mecanismos de resistência (pós-formados) que são sintetizados e acumulados nos tecidos do
hospedeiro como as proteínas relacionadas à patogênese (proteínas-RP), fitoalexinas, calose,
lignina, papilas, camadas de cortiça e tiloses (Pascholati & Leite, 1995).
A primeira linha de defesa de uma planta contra agentes invasores é a
sua superfície, onde ocorre a aderência do patógeno, que utiliza seus artifícios para penetrar na
mesma e causar a infecção (Agrios, 2005). A forma física da cutícula, o número, a morfologia
e o período de abertura de estômatos e a presença de tricomas por área de epiderme são fatores
importantes na definição do nível de resistência a patógenos por algumas espécies vegetais
(Medeiros et al, 2003; Agrios, 2005). A composição química, a quantidade e a forma física das
ceras epicuticulares de folhas são governadas por muitos fatores, variando entre espécies
(Baker & Hunt, 1981). Dessa forma, a consideração da cutícula como estrutura de resistência
deve ser analisada com prudência, visto que tal capacidade depende das características desta e
do agente de inter-relação (Silva et al, 2005).
Segundo Souza (2008), em estudo da patogênese de P. psidii pela
micromorfologia da epiderme foliar de clones de eucalipto, verificou a presença de ceras
epicuticulares compostas por placas, em clones resistentes e suscetíveis a ferrugem em
diferentes estágios foliares. Observou-se que nos locais de penetração do patógeno há menor
ocorrência de ceras, podendo-se sugerir uma possível capacidade do patógeno em degradar
21
esses componentes; evidenciando uma correlação direta entre presença de cera nos diferentes
clones e diferentes estágios foliares com a penetração e infecção pelo fungo.
Além da cutícula, o número e distribuição dos estômatos também
atuam no desenvolvimento do patógeno. No entanto, para patógenos que penetram nos tecidos
do hospedeiro por via direta, como P. psidii, este fatores não têm influência no
desenvolvimento da doença ou seja, a penetração do tubo germinativo dos esporos é realizada
diretamente, dispensando a existência de aberturas naturais ou ferimentos (Ferreira, 1989).
A lignificação das paredes celulares também pode contribuir na
restrição à colonização das plantas por fitopatógenos. Assim, paredes mais espessadas podem
se tornar mais resistentes à ação de enzimas degradadoras e à difusão de toxinas provenientes
dos patógenos (Pascholati e Leite, 1995; Agrios, 2005; Silva et al., 2005). Além disso, a
parede celular também pode inibir o crescimento do patógeno através de enzimas
degradadoras da parede fúngica e da produção de fitoalexinas, produtos naturais acumulados
após a infecção (Pascholati & Leite,1995; Agrios, 2005).
De acordo com Pascholati e Leite (1995), o xilema e as fibras
esclerenquimáticas, presentes na região da nervura central da folha, são ricos em lignina,
podendo interromper o avanço de fungos e bactérias nessa região. Este fator pode estar
relacionado à preferência de alguns patógenos, como o P. psidii, pela região internervural da
folha, que apresenta lignina somente nas regiões dos feixes vasculares, sendo o restante do
mesofilo destituído de lignificação.
Segundo Salvatierra (2006), a polarização celular, temporalmente
prévia à resposta hipersensível, é uma resposta que envolve uma série de mudanças
morfológicas e uma rápida reprogramação metabólica da planta frente a fungos biotróficos.
Esta apresenta um citoesqueleto metabolicamente muito ativo, um deslocamento do núcleo até
o sítio da infecção através dos filamentos e microfilamentos do citoesqueleto, na procura de
uma resposta rápida e localizada (Gross et al., 1993) e a construção de uma barreira neste sítio
reforçando a parede celular. Antes ainda da penetração fúngica detectam-se correntes
citoplasmáticas indicando o início da resposta, correlacionada a uma reorganização profunda
do citoesqueleto que são os componentes mais importantes (Schlüter et al., 1997).
Além dessas barreiras estruturais da planta, utilizadas na contenção do
patógeno, há também barreiras químicas, resultantes do metabolismo secundário do vegetal.
22
Entre os mecanismos de resistência bioquímicos pré- formados, destaca-se a ocorrência de
glicosídeos cianogênicos e fenólicos, fenóis, alcalóides glicosídicos, lactonas insaturadas,
fototoxinas, quitinases e ß- 1,3 glucanases. Por outro lado, compostos como as fitoalexinas, e
proteínas relacionadas à patogênese (proteínas-RP), que também fazem parte do arsenal de
mecanismos de defesa, são formados após a infecção do tecido da planta (Pascholati & Leite,
1994).
Acredita-se que as barreiras formadas têm a função de aprisionar ou
excluir o patógeno do acesso aos nutrientes, determinando um engrossamento considerável da
parede celular (Schmelzer, 2002). Este engrossamento da parede celular chamado de papila é
um fenômeno citológico conhecido (Aist, 1976) que apresenta características como: calose,
aumento no conteúdo de lignina, celulose, pectina, quitina, glicoproteínas ricas em
hidroxiprolinas, peroxidases e lipídeos entre outros (Schmelzer, 2002). A formação da papila é
um processo altamente coordenado de síntese de compostos estruturais, transporte, secreção e
reforço da parede altamente localizado e parece estar relacionado à resistência à infecção
fúngica (Schmelzer, 2002).
Uma reação de hipersensibilidade pode ser manifestada como uma
morte celular programada, rápida e localizada no local da infecção, eliminando o organismo
agressor (Dangl, 1998; Lam et al., 2001). Os produtos da expressão gênica de genes Avr e R
interagem diretamente ou indiretamente, produzindo uma resposta altamente específica. Nos
primeiros 15 minutos se engatilha uma resposta que envolve fluxos iônicos através da
membrana plasmática, produção de compostos reativos de oxigênio e óxido nítrico e uma
reprogramação da expressão gênica por meio da ação de fatores de transcrição e quinases.
Após este primeiro quarto de hora se produz a síntese de ácido salicílico e etileno,
fortalecimento da parede celular, processos de lignificação, síntese de compostos
antimicrobianos, como por exemplo as fitoalexinas, culminando na morte celular programada,
que caracteriza este tipo de resposta (Dangl & Jones, 2001).
Em relação aos compostos fenólicos, apesar de serem sintetizados por
rotas metabólicas secundárias de plantas, sua importância é fundamental para o metabolismo
vegetal (Strack, 1997). Nem todos os fenóis têm função conhecida, sendo que alguns deles
parecem ser simples intermediários do metabolismo normal das plantas (Beckman, 2000). Os
fenóis são produzidos em células especializadas distribuídas pelos tecidos, ao acaso ou em
23
locais estratégicos. As enzimas dessa síntese são associadas ao retículo endoplasmático, o que
permite que, logo após a produção, esses compostos sejam armazenados em vesículas, na sua
forma original ou glicosilada. A compartimentalização é fundamental para o funcionamento
das células, pois os fenóis são tóxicos e devem ser mantidos na sua forma reduzida. A
descompartimentalização de fenóis pode levar à sua rápida oxidação, pela ação de
peroxidases, em resposta a infecção. Fenóis que se mantêm livres no citoplasma podem ter
ação tóxica tanto sobre patógenos como sobre a própria célula vegetal e contribuir para a
reação de hipersensibilidade (Hrazdina, 1994; Isaac, 1992).
A fenilalanina amônia-liase (FAL) possivelmente é a enzima mais
estudada no metabolismo secundário vegetal, pois está situada em um ponto de ramificação
entre o metabolismo primário e secundário e a reação que ela catalisa é uma etapa reguladora
importante na formação de muitos compostos fenólicos (Taiz & Zeiger, 2004). A FAL está
localizada nos cloroplastos das células vegetais, principalmente nas membranas dos tilacóides
e atua na desaminação da L-fenilalanina, formando ácido trans-cinâmico e amônia. O ácido
trans-cinâmico pode ser transformado em diferentes compostos fenólicos (ácido 4-cumárico,
ácido caféico, ácido ferúlico), os quais estão presentes na formação de ésteres, cumarinas,
flavonóides e ligninas (Cavalcanti et al., 2005).
Em muitas espécies de plantas, a resposta à infecção por bactérias,
vírus e fungos patogênicos ou a vários estresses abióticos é acompanhada pela síntese de uma
variedade de proteínas, muitas delas chamadas proteínas-RP ou "proteínas relacionadas à
patogênese”. Essas proteínas foram primeiramente descritas por Van Loon & Van Kammen
(1970) citados por Guzzo (2004), em folhas de fumo, após a infecção pelo vírus do mosaico
(tobacco mosaic virus-TMV). As proteínas-RP não eram detectadas em folhas sadias, mas
tinham sua atividade induzida em folhas inoculadas com o vírus (Liu et al., 1995). Estão
localizadas no espaço intercelular, no vacúolo e/ou parede da célula vegetal, tendo sido
encontradas em várias espécies de plantas pertencentes a diferentes famílias. A maioria possui
um peptídeo-sinal na região N-terminal, responsável por sua translocação através da
membrana do retículo endoplasmático para o vacúolo ou para o espaço intercelular (Bol et al.,
1990), citados por Guzzo (2004).
Essas proteínas apresentam algumas características que as distinguem
das demais proteínas vegetais, tais como estabilidade em pH baixos, em torno de 2,8 (quase a
24
totalidade das demais proteínas das plantas precipita nessa condição), resistência à ação de
enzimas proteolíticas, estabilidade sob altas temperaturas (em torno de 60-70 oC), com massa
molecular variando entre 8 e 50 kDa e podem estar localizadas no vacúolo, parede celular e/ou
apoplasto (Stintizi et al., 1993 citado por Beltrame, 2005).
Há dois mecanismos de ação das proteínas-RP. O primeiro mecanismo
é hidrolítico sobre a parede celular de fungos e bactérias (Yoshikawa; 1993), como as
quitinases e glucanases que hidrolisam polímeros de quitina e de glucana, respectivamente, os
principais componentes da parede celular dos fungos. Já o segundo mecanismo de ação é
indireto, com a liberação de elicitores não específicos devido à ação lítica dessas enzimas
(Van Loon; 1999).
Atualmente são classificadas em 17 famílias distintas, baseando-se na
similaridade das seqüências de aminoácidos, relação sorológica e/ou atividade enzimática ou
biológica. Muitas apresentam atividade antimicrobiana comprovada ou podem ativar outras
respostas de defesa em plantas (Cavalcanti, 2005). Muitas vezes, a indução de uma mesma
proteína-RP ocorre a partir de diferentes situações, como o ataque por um patógeno ou um
estresse salino. Isto reforça a importância das proteínas-RP como proteínas de estresse, com
funções que excedem o seu envolvimento nas interações planta-patógeno. Por outro lado,
existem indutores de resistência que não ativam as proteínas-RP, como algumas rizobactérias,
podendo-se dizer, definitivamente, que o acúmulo de proteínas-RP não é um pré- requisito
para a indução de resistência. Entretanto, dada a ação antipatogênica de algumas dessas
proteínas, elas provavelmente contribuam para o estado de proteção contra patógenos (Van
Loon, 1997).
Entre as proteínas-RP mais pesquisadas estão as β-1,3-glucanases (RP-
2) e as quitinases (RP-3), que possuem atividade hidrolítica, quebrando polímeros estruturais
presentes nas paredes dos patógenos. Essas hidrolases ocorrem nas plantas e podem estar
envolvidas na defesa das mesmas contra fungos, uma vez que os polímeros acima mostram-se
como os principais constituintes da parede celular fúngica (Labanca, 2002). A família RP-2 é
constituída por endo-β-1,3-glucanases e são agrupadas em pelo menos três classes distintas.
As glucanases da classe I são proteínas básicas, localizadas no vacúolo, especialmente na
epiderme das folhas inferiores e nas raízes de plantas, enquanto que as classes II e III incluem,
principalmente as proteínas ácidas extracelulares. Atuam na hidrólise do polímero β-1,3-
25
glucana, componente estrutural da parede celular de muitos fungos, particularmente na
extremidade de hifas em que a glucana está mais exposta, causando um enfraquecimento da
parede, resultando na morte celular dos fitopatógenos. A família RP-3 é constituída por
endoquitinases que são agrupadas em seis classes distintas (I,II, IV, V, VI e VII), atuando
diretamente nas paredes celulares de fungos, hidrolisando os polímeros de quitina,
enfraquecendo-a e tornando as células osmoticamente sensíveis (Guzzo, 2004).
As peroxidases são glicoproteínas capazes de catalizar a produção de
H
2
O
2
, a formação de lignina, incorporação de glicoproteínas à parede celular, destruição
peroxidativa do ácido indolilacético e de outros reguladores de crescimento. As peroxidases,
bem como outras enzimas como a superóxido dismutase e a catalase, atuam sobre as espécies
ativas de oxigênios de modo a livrar a célula de seu efeito deletério. Podem funcionar nos
processo de reparo da célula nas injúrias, na síntese de lignina, bem como em diversos
processos fisiológicos, como senescência, produção de etileno e oxidação de compostos
fenólicos (Greppin et al., 1986). Assim, em função de sua participação na síntese de lignina e
oxidação de compostos fenólicos, a peroxidase pode contribuir na resistência das plantas
contra fitopatógenos (Van Loon, 1986).
2.5 Indução de resistência
A resistência induzida em plantas, também conhecida como indução de
proteção, imunidade adquirida ou resistência sistêmica adquirida, envolve a ativação dos
mecanismos latentes de resistência em uma planta através de tratamentos com agentes bióticos
ou abióticos (Bonaldo, 2005). O termo indução de resistência pode ser utilizado para designar
uma proteção local, isto é, a indução de resistência apenas nos tecidos onde se efetuou o
tratamento com o agente indutor, como também pode indicar uma resistência sistêmica, que se
manifesta a distância do local de aplicação do indutor (Moraes, 1992).
A resistência induzida consiste no aumento da resistência por meio da
utilização de agentes externos, sem qualquer alteração no genoma da planta, isso ocorrendo de
maneira não específica por meio da ativação de genes envolvidos em diversas respostas de
defesa, tais como, explosões oxidativas, respostas de hipersensibilidade, acúmulo de proteínas-
RP, síntese de inibidores de proteinases, enzimas envolvidas na rota dos fenilpropanóides,
26
como a fenilalanina amônia-liase, polifenoloxidase, enzimas envolvidas na peroxidação de
lipídios, síntese de fitoalexinas, acúmulo de compostos fenólicos, aumentos na atividade de β-
1,3-glucana sintase e conseqüente aumento na formação de calose, formação de papila, bem
como o acúmulo de lignina em tecidos circunvizinhos ao local de penetração do
microrganismo (Kuhn, 2007).
A indução da resistência pode ser desencadeada pela aplicação de
substâncias naturais e/ou sintéticas, por microrganismos inativados e/ou por suas partes
(Cavalcanti, 2000). Os indutores naturais normalmente são constituídos por moléculas de
oligossacarídeos constituintes da parede celular de patógenos como glucanas, derivados de
quitina, glicoproteínas e, ainda, polissacarídeos da parede celular vegetal (Hann, 1996). Foi
verificado que as elicitinas, uma família de pequenas proteínas altamente conservadas,
secretadas por espécies de fungos fitopatogênicos do gênero Phytophthora ou Pytium, são
capazes de ativar respostas de defesa em plantas e a resistência sistêmica adquirida (RSA).
Plantas de fumo previamente tratadas com elicitinas, especialmente a criptogeína, purificada
de cultura de Phytophthora cryptogea, adquirem resistência a uma infecção subseqüente com
o patógeno Phytophthora parasitica var nicotianae e a outros agentes patogênicos (Etienne et
al., 2000 e Ricci et al., 1989, citados por Guzzo, 2004). Dentre as substâncias sintéticas,
destaca-se o ácido salicílico e seus análogos funcionais, como o acibenzolar-S-methyl (ASM)
e o ácido 2,6- dicloroisonicotínico (INA), entre os mais estudados. Outras moléculas têm se
destacado, também, por sua capacidade de induzir resistência, a exemplo do etefon, uma
substância que libera etileno, ácido jasmônico e ácido β-aminobutírico, silício, fosfatos e
diversos sais inorgânicos (Sobrinho, 2004).
O efeito protetor pode durar poucos dias ou por todo o ciclo da cultura,
como é o caso de plantas de pepino inoculadas com Colletotrichum lagenarium, onde a
proteção mostrou-se efetiva por 10 semanas (Pascholati & Leite, 1995). Outro aspecto
interessante da indução de resistência diz respeito a ausência de especificidade, o que é
refletido não somente pelos diferentes indutores passíveis de uso, mas também pelo amplo
espectro de fitopatógenos contra os quais a planta é protegida (Sticher et al., 1997). Por
exemplo, plantas de pepino submetidas a tratamentos foliares com C. lagenarium ou vírus da
necrose do fumo (TNV) como indutores, mostraram-se sistemicamente protegidas contra dez
27
patógenos diferentes, sendo cinco fungos, três bactérias e dois vírus (Hammerschmidt &
Dann, 1997).
Os agentes indutores de origem biótica ou abiótica, capazes de ativar
ou induzir resposta de resistência nas plantas são chamados de elicitores (Smith, 1996),
podendo apresentar natureza química variada, como oligossacarídeos, glicoproteínas,
oligopeptídeos e ácidos graxos, o que demonstra a não existência de característica estrutural
única na determinação da atividade elicitora (Stangarlin et al., 1999). Após o reconhecimento,
uma cascata de sinais é acionada, o que leva a ativação dos mecanismos de defesa das plantas.
Um dos primeiros eventos na interação planta-patógeno é a explosão oxidativa, que se
constitui na produção de espécies reativas de oxigênio, que pode resultar em reação de
hipersensibilidade. Outra molécula sinalizadora é o óxido nítrico que atua na sinalização da
via do ácido salicílico e na ativação de genes, como o da fenilalanina amônia-liase que
estimula a via dos fenilpropanóides, o que resulta na produção de vários compostos de defesa
de plantas, como as fitoalexinas (Beltrame, 2005).
Após a emissão do sinal primário, duas rotas metabólicas estão
envolvidas na síntese de compostos de defesa: uma dependente de AS e outra independente de
AS. No primeiro caso, o composto sinalizador é o próprio AS e na outra rota os sinalizadores
são o etileno e/ou o ácido jasmônico (Kunkel & Brooks, 2002). No geral, as plantas
respondem mais aos patógenos biotróficos, com a ativação da rota do AS, porém ativam a rota
do etileno-jasmonato quando atacadas por patógenos necrotróficos ou herbívoros (Ton et al.,
2002).
O ácido salicílico (AS) é provavelmente sintetizado na via dos
fenilpropanóides, tendo o ácido benzóico como precursor. Na síntese através desta via, é
importante a participação da FAL. Logo após a síntese, o AS é convertido na forma conjugada
com carboidratos. Sendo que a conjugação pode ser um importante mecanismo pelo qual a
concentração de AS é regulada na planta. O AS, quando aplicado de forma exógena, é capaz
de induzir aumento da síntese do próprio AS, assim como de proteínas-RP e de proteger as
plantas contra ataque de patógenos (Moraes, 1998). O AS pode gerar em várias plantas a
produção de um composto volátil, o metil-salicilato (MeSA). O MeSA, por sua vez, pode
induzir plantas a sintetizar o AS. Plantas de fumo infectadas por TMV são capazes de produzir
o MeSA, que age como um indutor de resistência volátil. A produção de AS a partir do MeSA
28
produzido pela planta atacada induz a produção de proteínas-RP e a ativação de genes de
resistência, podendo tornar plantas resistentes ao ataque de patógenos (Shulaev et al., 1997).
O ácido jasmônico e seus derivados encontram-se largamente
distribuídos nos tecidos vegetais. Segundo Sticher et al. (1997), os jasmonatos (JA) são
produzidos em plantas após injúrias ou tratamentos com elicitores, apresentando funções
hormonais e de defesa contra fitopatógenos e insetos. A ação de defesa está ligada à
capacidade de induzir a síntese ou acúmulo de proteínas inativadoras de ribossomos, FAL,
tionina, sintase da chalcona, proteínas ricas em hidroxiprolina, inibidores de proteinases e
outros enzimas como polifenoloxidases e lipoxigenases (Bostock, 1999). A via de sinalização
na qual os JA estão envolvidos tem diferenças marcantes em relação à via de sinalização que
envolve o AS. Atualmente, costuma-se diferenciar o tipo de resistência envolvido com cada
via. O tipo de resistência que envolve os JA é referido como resistência sistêmica induzida
(RSI) e a do AS como resistência sistêmica adquirida (RSA). O papel dos JA na sinalização e
mesmo na resposta de defesa da planta, é menos esclarecido do que a do AS. No entanto, o JA
é proposto como um sinalizador secundário da RSI (Sticher et al., 1997). Inúmeros estudos
evidenciam a importância dos JA na resposta de defesa das plantas contra fitopatógenos
(Bostock, 1999).
O etileno é um hormônio vegetal volátil de múltiplas funções
fisiológicas em plantas e é produzido como conseqüência de injúria, de tratamento com
elicitores e através de vários processos metabólicos. Embora a participação do etileno na RSI
ou na RSA não seja clara, alguns estudos mostram sua necessidade para a expressão de
resistência (Knoester et al., 1999). Entretanto, outros indicam que a síntese de etileno após
uma infecção deve ser um sintoma e não uma causa da indução de respostas de defesa (Sticher
et al., 1997). O tratamento com etefon (liberador de etileno) leva algumas plantas a
expressarem proteínas-RP, indicando a possibilidade do etileno ter participação na expressão
da resistência (Jacobs et al., 1999).
O fenômeno da resistência induzida tem sido demonstrado em muitas
espécies de plantas, onde vários estudos têm revelado a expressão de respostas de defesa
contra vários e importantes agentes de doença vegetal, tais como vírus, fungos, bactérias e
nematóides, cujos diferentes mecanismos têm sido estimulados por várias substâncias
(Sobrinho, 2004). O fenômeno já é conhecido desde o começo do século passado, tendo, como
29
marco inicial, o trabalho desenvolvido por Chester, em 1933. Em 1961, Ross demonstrou que
plantas de fumo submetidas a uma infecção prévia com o vírus do mosaico do fumo (“tobacco
mosaic virus” - TMV) se tornavam resistentes a uma nova infecção do vírus. Um ano antes,
Cruickshank e Mandryk obtiveram plantas de fumo resistentes ao mofo azul pela inoculação
das hastes das plantas com Peronospora tabacina (Labanca, 2002).
Segundo Labanca (2002), existem vários indutores de resistência no
mercado mundial: o Oryzemate®, o Bion®, o Messenger®, o Oxycom TM e o Elexa®. O
Oryzemate ® (probenazole) é um produto para proteção do arroz contra a brusone que já conta
com mais de 20 anos de mercado no Japão e sem que haja um único relato de surgimento de
resistência em populações de Pyricularia grisea. Além desses indutores comerciais, diversos
agentes vêm sendo estudados como possíveis elicitores de respostas de defesa ou indutores de
resistência. Esses agentes podem incluir um produto químico, como, entre outros, o ácido
salicílico, o ácido β-amino butírico (BABA), etefon, e o metil salicilato, o estresse de natureza
biótica ou abiótica, um patógeno avirulento, parte de um patógeno, como uma glicoproteína
ou um carboidrato estrutural, um organismo não patogênico, como as bactérias promotoras de
crescimento ou a levedura S. cerevisiae. Além do uso em campo, alguns indutores de
resistência, como a luz UV, têm também potencial para uso em pós-colheita.
Segundo Cardoso Filho (2003), inúmeros trabalhos evidenciam o
potencial da levedura S. cerevisiae na ativação de mecanismos de resistência e na proteção de
plantas contra fitopatógenos. Recentemente, o grupo de pesquisas do Laboratório de Fisiologia
e Bioquímica Fitopatológica, do setor de Fitopatologia da Escola Superior de Agricultura Luiz
de Queiróz (ESALQ), liderado pelo Prof. Pascholati, demonstrou o efeito de suspensões de
células dessa levedura (linhagem de panificação), e do filtrado dessas suspensões na proteção
de plantas de sorgo contra Colletotrichum graminicola e Exserohilum turcicum (Piccinin,
1995), de milho contra C.graminicola e E. turcicum (Silva & Pascholati, 1992; Stangarlin &
Pascholati, 1994), de maracujá contra Xanthomonas campestris pv. passifora (Piccinin, 1995)
e de eucalipto contra Botrytis cinerea (Piccinin, 1995). Em outros resultados, evidenciaram a
obtenção de elicitores glicoproteicos de S. cerevisiae, os quais estimulam o acúmulo de
fitoalexinas em mesocótilos de sorgo (Wulff & Pascholati, 1998, 1999; Labanca, 2002).
É muito provável que a resistência induzida por S. cerevisiae esteja
ligada à presença de determinados carboidratos e glicoproteínas presentes em sua parede
30
celular (Pascholati, 1999). De acordo com Labanca (2002), a parede da levedura é formada
basicamente por polissacarídeos e proteínas, com a seguinte distribuição aproximada, em
peso: 50 % β−1,3-glucanas, 10 % β−1,6- glucanas, 40 % manoproteínas e 1-3 % quitina. A
autoclavagem de células de S. cerevisiae leva a liberação de diversos polímeros e oligômeros
com massa molecular, carga e conteúdo de açúcares e de proteínas bastante variavel. Wulff &
Pascholati (1999) extraíram uma glicoproteína carregada negativameente (em pH 8), cuja
porção protéica é importante para a indução da síntese de fitoalexinas em mesocótilos de
sorgo.
O composto sintético éster-S-metil do ácido benzo-(1,2,3)-tiadiazol-7-
carbotióico (acibenzolar-S-metil, ASM, BTH, CGA 245704, Bion®, Actigard®), derivado do
benzotiadiazol, é um análogo do ácido salicílico e tem sido amplamente estudado como agente
indutor da RSA (Mazaro, 2007 ). Guzzo et al. (2001) verificaram o efeito de acibenzolar-S-
metil em cafeeiro suscetível a Hemileia vastatrix e observaram indução de proteção à planta.
Os mesmos autores observaram ainda, por microscopia de fluorescência, que o ASM aplicado
in vitro não interfere na germinação dos esporos e na formação de apressórios de H. vastatrix,
concluindo que o ASM não possui ação antimicrobiana direta a esse patógeno, mas induz a
expressão de genes de resistência para a formação de compostos que impedem ou dificultam o
estabelecimento ou desenvolvimento deste patógeno.
O acúmulo de proteínas-RP também foi observado em tomate pelo uso
de ASM, com acúmulo de quitinases, β-1,3-glucanases, além de peroxidases e lisozimas (Inbar
et al., 1998). Em plântulas de melão tratadas com ASM, foi observado o aumento da atividade
das proteínas-RP quitinases e peroxidases (Buzi et al., 2004). A aplicação em pré-colheita com
ASM, em associação com azistrobina, foi eficaz na proteção dos frutos de mamoeiro em pós-
colheita contra antracnose, reduzindo a incidência e severidade de doenças e induzindo os
maiores níveis de atividade de proteínas-RP, β- 1,3-glucanases, quitinases e peroxidases (Cia,
2005).
Segundo Guzzo (2004), a identificação de genes de hospedeiros
envolvidos em respostas de defesa é importante para a elucidação dos mecanismos de
resistência em plantas contra fitopatógenos. A seleção diferencial de bibliotecas de cDNA,
produzidas a partir de RNA mensageiros (mRNAs) isolados de plantas inoculadas, tratadas
31
com elicitores ou indutores de resistência e de cultura de células, tem sido utilizada para
identificar genes relacionados à defesa em muitas interações hospedeiro-patógeno.
2.6 Genômica funcional
Os seres vivos apresentam milhares de genes, dos quais apenas uma
fração é expressa em cada célula individual. Então, é o programa temporal e espacial de
expressão dos genes que determina os processos da vida. O desafio atual é identificar e
caracterizar os genes expressos em determinadas condições fisiológicas e metabólicas nas
células (Alcalde, 2002). Sabe-se, que o fluxo da informação gênica do DNA (genoma) até o
proteoma é intermediado pelo conjunto das moléculas de RNA (transcrissoma). Assim, a
concentração relativa dos transcritos de um determinado gene em uma célula é um indicativo
do quanto esse gene está sendo expresso, em virtude de um dado estímulo ambiental.
Pode se dizer que um gene está se expressando quando ele está sendo
transcrito em RNA mensageiro (mRNA). O processo de transcrição dos genes, codificando
proteínas, acontece no núcleo da célula, através da ação da RNA polimerase II que se liga ao
promotor do gene na presença de proteínas chamadas de fatores de transcrição e ATP, abrindo
a fita dupla de DNA e iniciando a síntese de transcrito primário. Para ser funcional o mRNA
deve passar por um processo de maturação que envolve a formação de ‘cap’ na extremidade
5’, adição do poli A na extremidade 3’, e remoção dos introns. O mRNA maduro é exportado
do núcleo para o citoplasma, através dos poros do envelope nuclear. No citoplasma, o mRNA
pode ser então direcionado para locais específicos e traduzidos em proteínas no retículo
endoplasmético rugoso.
A descoberta da enzima transcriptase reversa, uma DNA polimerase
dependente de RNA encontrada predominantemente em vírus de RNA de tumor, tornou
possível a síntese in vitro de DNA usando-se como molde mRNA. O DNA produto dessa
reação é chamado DNA complementar (cDNA). A síntese e possível clonagem de cDNAs
contribuiram para grandes avanços na análise da estrutura e expressão de genes de eucariotos e
procariotos e propiciaram uma revolução tecnológica. Uma vez que o cDNA é cópia da
mensagem, ele não contém introns e apresenta significativamente poucas seqüências que não
codificam para proteínas. A ausência de introns facilita a determinação direta da seqüência da
32
mensagem e subsequente dedução da seqüência de aminoácidos da proteína por ela codificada.
Isso tem resultado na identificação da seqüência de uma enorme quantidade de proteínas,
algumas vezes mesmo antes de terem sido identificadas genética ou bioquimicamente (LGV,
2008).
Segundo Nogueira (2004), vários projetos cujo objetivo é estudar o
transcrissoma, ou seja, a população de RNAs transcrita de um determinado organismo, vêm
sendo conduzidos em diferentes espécies vegetais, denominados projetos EST (Expressed
Sequence Tag ou Etiqueta de Seqüências Expressas). Esses projetos são uma poderosa
ferramenta para identificar genes expressos em determinados tecidos e/ou tipos celulares de
interesse.
Nos projetos EST, bancos de dados contendo pequenas seqüências de
DNA são gerados a partir do seqüenciamento de moléculas de cDNA, sintetizadas a partir das
populações de mRNA, empregando iniciadores específicos do vetor (plasmídio), o qual foi
utilizado no processo de clonagem gênica. Essas seqüências são usadas no procedimento de
montagem dos contigs ou clusters que, na maioria das vezes, possuem ORFs (open reading
frames) representando a região codificadora de diversos genes (Telles et al., 2001). Desta
forma, a tradução destas ORFs fornece os primeiros indícios da função da proteína codificada
por um determinado clone de cDNA. ESTs produzem informações biológicas de centenas de
genes de um organismo, além de permitirem a identificação de diferentes isoformas de
transcritos (Andrews et al., 2000) e o mapeamento gênico (Schuler, 1997; Wu et al., 2002).
Outro aspecto importante dos ESTs é o acesso a informações sobre os genes expressos em
organismos que contêm um genoma complexo.
A obtenção de ESTs permite a comparação de seqüências entre
espécies diferentes, baseando-se na observação de que genes responsáveis pela mesma função,
em organismos diferentes, são conservados durante a evolução. O emprego desta metodologia
permite a identificação de genes, descobrimento de novos genes, reconhecimento de exons,
caracterização dos limites éxons/íntrons, formação de famílias de proteínas, desenvolvimento
de mapas gênicos, identificação de genes específicos de tecidos ou organismos, investigação
de genes de função desconhecida e estabelecimento de padrões de expressão gênica espacial e
temporal (Adams et al., 1995, Boguski et al., 1995, Banfi et al., 1996; Hillier et al., 1996;
Lluisma et al., 1997).
33
Exemplos de construção de bibliotecas de cDNA podem ser vistos na
cultura do tomate (Lycopersicon esculentum), onde foram obtidas mais de 150.000 ESTs a
partir de 26 bibliotecas de cDNA, estas seqüências compreendem a base de dados de ESTs do
tomate em The Institute for Genomic Research (TIGR, http://www.tigr.org/tdb/tgi/lgi/)
(Hoeven et al., 2002). As empresas North Central Soybean Research e United Soybean Board
subsidiaram o projeto de ESTs para a soja. O objetivo do programa foi gerar mais de 200.000
ESTs, representando genes expressos em diversos tecidos, órgãos e condições ambientais.
Para esta espécie, aproximadamente 65 bibliotecas de cDNA foram criadas (Maguire et al.,
2002).
Projetos de obtenção de ESTs para Arabidopsis, trigo, milho e arroz,
entre outras plantas também são encontrados. O número de ESTs conhecido para estes
organismos, segundo o banco de dados de ESTs do National Center for Biotecnology
Information (NCBI, http://www.ncbi.nlm.nih.gov/dbEST/index.html), é de mais de 188.000
ESTs para Arabidopsis, 499.000 para trigo, 360.000 para milho e 260.000 para arroz
(Barsalobres, 2004).
No Brasil, diversos projetos de construção de bibliotecas de cDNA são
encontrados. A Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) e a
Cooperativa dos Produtores de Cana, Açúcar e Álcool do Estado de São Paulo
(COPERSUCAR), financiaram o projeto de obtenção de ESTs de cana-de-açúcar (SUCEST –
Sugarcane EST Project) e 26 bibliotecas de cDNA foram construídas a partir da extração de
RNA total de várias fontes: calos, raízes, diferentes estágios de folhas, colmos, plantas
infectadas com patógenos, etc. (Vettore et al., 2001). Mais de 237.000 ESTs foram obtidas
resultando em 43.141 clusters, que são agrupamentos das ESTs de acordo com o alinhamento
das seqüências consenso no sentido 5’ (Telles & DaSilva, 2001). O Centro APTA Citros
Sylvio Moreira, Instituto Agronômico de Campinas com apoio do CNPq/Institutos do
Milênio/Citrus, construíram 33 bibliotecas de cDNA a partir diferentes tecidos de espécies e
gêneros de citros em diferentes estágios de desenvolvimento, sob estresse biótico (patógenos)
e abióticos (seca) gerando um total de 242.790 ESTs (Targon et al., 2007).
No caso do eucalipto, foram conduzidos no Brasil, através de
iniciativas de diversas empresas do setor florestal juntamente com universidades e órgãos
nacionais de fomento à pesquisa, dois projetos de sequenciamento de ESTs de diferentes
34
espécies e tecidos. O Projeto FORESTS que resultou na construção de um banco de dados
com 123.889 ESTs e o Projeto GENOLYPTUS que resultou no sequenciamento de cerca de
135.000 ESTs (Poke et al., 2005).
A informação dos projetos genoma, que agrupam seqüências de
milhares de genes, apresenta a possibilidade de utilização das mesmas para identificar o nível
de expressão dos mRNAs e o entendimento da função biológica de um determinado gene
(Salvatierra, 2006). A obtenção de ESTs é um meio rápido e efetivo de produzir seqüências
parciais para a maioria dos genes expressos (Nogueira et al., 2003). A comparação de uma
seqüência desconhecida com o vasto número de ESTs é um instrumento importante e
poderoso da pesquisa genética, e bancos de dados destas seqüências estão sendo utilizados na
montagem de ferramentas para a análise em larga escala da expressão gênica. A partir de
projetos ESTs, que produziram uma gigantesca quantidade de seqüências expressas, surgiram
novas técnicas capazes de avaliar os níveis relativos de mRNA de milhares de genes
simultaneamente (Barsalobres, 2004).
Metodologias para a análise da expressão diferencial de genes são
empregadas para identificar genes envolvidos no processo de desenvolvimento e de resposta
celular a uma variedade de estímulos químicos ou físicos, pesquisar o efeito molecular
originado por mutações em um gene de interesse, identificar marcadores moleculares de
doenças e estudar o efeito do tratamento com algumas drogas (Carulli et al., 1998). O principal
objetivo deste tipo de estudos é construir uma ponte, sobre o espaço existente entre genótipo e
fenótipo, reconhecer quais são os genes que são responsáveis por determinados processos tais
como doenças, quais são os responsáveis por diferentes tipos de resposta à fatores bióticos e
abióticos, como a resposta imune dos organismos à presença de patógenos, entre outros. Mas,
para tudo isto, é necessário extrair o máximo de informação dos dados de seqüências mediante
a análise de todo tipo de seqüências codificantes e não codificantes, tais como as seqüências
promotoras, reguladoras e moduladoras (Salvatierra, 2006).
Até pouco tempo atrás, a análise da expressão gênica era feita com
metodologias que avaliavam poucos genes de cada vez: Northern blot, dot blots, RT-PCR,
entre outros. O crescimento exponencial do número de novos genes descobertos nos projetos
genoma e o desenvolvimento dos arranjos de DNA propiciaram uma nova abordagem nos
35
estudos da regulação gênica, tornando possível o monitoramento dos níveis de transcritos de
um grande número de genes simultaneamente (Felix, 2002).
O SAGE (Serial Analysis of Gene Expression) é uma metodologia
baseada em seqüenciamento utilizada na avaliação da expressão gênica. Essa técnica se baseia
no isolamento de pequenas moléculas de cDNA que são concatenadas, clonadas e, em seguida,
sequenciadas. A partir do seqüenciamento pode-se avaliar a quantidade e a identidade dos
transcritos celulares (Velculescu et al., 1995).
Outros exemplos de técnicas capazes de avaliar os níveis relativos de
mRNA de milhares de genes simultaneamente são os micro e macroarray (micro e
macroarranjos de DNA). Os arranjos de DNA são constituídos de um suporte sólido
(membranas de náilon ou placas de vidro) onde ESTs, produtos de PCR ou mesmo
oligonucleotídeos são depositados de maneira ordenada. Os arranjos são então expostos para
hibridização com uma população de mRNA convertido pela transcriptase reversa em DNA
complementar (cDNA) na presença de nucleotídeos modificados (com fluorescência ou
radioisótopos). Quando hibridizado ao DNA preso na plataforma, este cDNA marcado emite
um sinal, que é detectado por um scanner e convertido em uma leitura quantitativa relativa ao
nível de expressão do gene (HAL et al., 2000). O sinal produzido é proporcional à sua
concentração na população original (Perret et al., 1998).
Os arranjos de DNA (micro e macroarranjos) podem ser diferenciados
por três características: o suporte sólido empregado, o método de detecção e o número de
genes analisados. Quanto aos suportes, os microarranjos utilizam slides de vidro ou chips de
silício, enquanto os macroarranjos utilizam membranas de náilon. A marcação pode ser feita
por meio de fluoróforos (Cy3 e Cy5) em microarranjos e por isótopos radioativos (
32
P ou
33
P)
em macroarranjos. Em relação ao número de genes representados no suporte, os microarranjos
podem analisar até 20.000 genes, enquanto que os macroarranjos analisam até 5.000 (Schena
et al., 1995; Lashkari et al., 1997; Kozian & Kirschbaum, 1999 citados por Barsalobres, 2004).
Ambos baseiam-se no princípio de quanto maior a expressão de um determinado gene, em
uma determinada condição (biológica ou ambiental), maior será o número de moléculas de
mRNA referente àquele gene, sendo maior o número de cDNAs marcados na sonda sintetizada
e, conseqüentemente, maior o valor de intensidade de sinal detectado quando a sonda é
hibridizada com a seqüência específica de DNA (Felix et al., 2002).
36
Outros sistemas utilizando arranjos de DNA são os fornecidos pelas
empresas Affymetrix® e Agilent®. Denominado “Genechip DNA” tem o princípio básico
semelhante ao da técnica de arranjos, entretanto, os genes são representados por
olignucleotídeos (15-25 pb) fixados em lâminas de vidro. A técnica permite a preparação de
lâminas de alta densidade.
2.7 Projetos de genômica com eucalipto
A era da genômica florestal começou com projetos de EST em Pinus e
Populus e teve como objetivo inicial a identificação de genes específicos de espécies arbóreas
(BHALERAO et al., 2003). Os trabalhos pioneiros sequenciaram 5692 ESTs de Populus
(STERKY et al., 1998) e 1000 ESTs de Pinus (Allona et al., 1998). Desde então, já estão
disponíveis nos bancos de dados públicos (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/) mais de 359002
ESTs de Pinus sp. e mais de 369238 de Populus sp. Além disso, estão sendo também
depositadas seqüências de ESTs de espécies de E. gunnii (19.841); E. globulus (blue gum)
(10.003), E. globulus subsp. bicostata (2.685), E. grandis (1.574); E. tereticornis (1.131); E.
grandis x E. nitens (44) e E. globulus subsp. globulus (2), que já somam aproximadamente
35.279 ESTs no NCBI (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/dbEST/dbEST_summary.html.
consultado em 11/abr/2008). Variados esforços estão sendo desenvolvidos com Eucalyptus
utilizando ferramentas genômicas em países como Austrália, França, África do Sul, China, e
outros (Poke et al., 2005). No Brasil, os projetos GENOLYPTUS e FORESTs têm destaque
internacional.
O GENOLYPTUS é uma iniciativa de diversas empresas do setor
florestal, juntamente com universidades e órgãos nacionais de fomento à pesquisa, que
resultou no sequenciamento de cerca de 150.000 ESTs, provenientes de bibliotecas preparadas
a partir de diversos tecidos e partes da planta, em diferentes estágios de desenvolvimento e sob
tratamentos distintos, além de algumas bibliotecas de DNA genômico.
O projeto FORESTs (EUCALYPTUS GENOME SEQUENCING
PROJECT CONSORCIUM) agrupa quatro das maiores companhias da área de papel e
celulose do Brasil, Votorantim Celulose e Papel (VCP), Ripasa Celulose e Papel, Suzano de
Papel e Celulose e Duratex , junto com o Projeto Genoma Agronômico e Ambiental
37
(Agronomical and Environmental Genome - AEG), da Fundação de Amparo à Pesquisa do
Estado de São Paulo (FAPESP), compreende 20 laboratórios em diferentes instituições de
pesquisa no estado de São Paulo. O projeto resultou na construção de um banco de dados
com 123.889 ESTs obtidos a partir de tecidos diferentes, incluindo plantas jovens (SD), raiz
(RT), madeira (WD), casca (BK), calos (CL), folhas (LV), os internódios da haste (ST),
seedlings (SL). Os cDNAs foram preparados à partir do mRNA poli adenina (poliA+), usando
o Kit de plasmídio (Gibco-BRL EUA) ou o kit da síntese do ZAP-cDNA (Stratagene EUA).
Os cDNAs dupla fita foram fracionados, e os fragmentos maiores que 1 kb foram usados. O
sequenciamento foi feito usando terminais de BigDye em eletroforese multi-capilar de um
seqüenciador de DNA prisma 3700 da ABI (Perkin Elmer EUA). Os conjuntos de ESTs foram
construídos pelo alinhamento usando o programa CAP3.
A construção de bancos de dados de ESTs e a grande quantidade de
dados gerados vêm contribuindo para o entendimento de diversos processos biológicos na
cultura do eucalipto, pois facilita a análise das proteínas codificadas por diversas partes do
genoma e permitem a análise da expressão entre diferentes tecidos, estádios de
desenvolvimento e condições ambientais.
38
CAPITULO I
EFEITO DE INDUTORES BIÓTICOS E ABIÓTICOS NA ATIVIDADE DE
QUITINASE E PEROXIDASE E NO CONTROLE DA FERRUGEM CAUSADA POR
Puccinia psidii EM EUCALIPTO
39
Efeito de indutores bióticos e abióticos na atividade de quitinase e peroxidase e no
controle da ferrugem causada por Puccinia psidii em eucalipto
Leonardo Pires Boava
1,2
*
1
Faculdade de Ciências Agronômicas, UNESP, Departamento de Produção Vegetal, Setor de
Defesa Fitossanitária, CP 237, 18603-970, Botucatu, SP.
2
Bolsita FAPESP
* E-mail: [email protected]
RESUMO
Verificou-se o efeito de indutores de resistência bióticos e abióticos nas atividades de
quitinase e peroxidase e na redução da severidade da ferrugem do eucalipto causada por
Puccinia psidii. Para isso, mudas de dois clones de eucalipto com sessenta dias de idade
mantidas em casa de vegetação receberam tratamentos com Acibenzolar-S-metil (ASM),
Agro-Mos, Saccharomyces cerevisiae, Dipel, Ecolife
40
e Crop-set, cinco dias antes da
inoculação com o patógeno. Uma suspensão de uredosporos de P. psidii, coletados a partir de
plantas infectadas naturalmente, foi calibrada para 5 x 10
4
uredosporos/ mL. A inoculação foi
realizada na face dorsal das folhas e a avaliação se deu 15 dias após, estimando-se a
severidade da doença por meio de uma escala de notas. Os tratamentos Acibenzolar-S-metil
(ASM), S. cerevisiae e Ecolife apresentaram melhores resultados de controle da doença e os
demais tratamentos não se mostraram eficazes para o controle. A determinação das atividades
de quitinase e peroxidase envolveu apenas os dois primeiros tratamentos (ASM e S.
40
cerevisiae). O aumento de atividade das enzimas foi observado em ambos os clones,
previamente tratados com os indutores, 48 horas após a inoculação com fungo.
Palavras-chave: indução da resistência, doenças, ferrugem das mirtáceas.
ABSTRACT
In this work was observed the effect of biotic and abiotic inducers of resistance for Eucalyptus
rust control evaluated by the severity of the disease and biochemical analyses of the activities
of chitinase and peroxidase. For this work was obtained plants of 60 days old, were kept in a
greenhouse and received treatments with Acibenzolar-S-methyl (ASM), Agro-Mos,
Saccharomyces cerevisiae, Dipel, Ecolife 40 and Crop-set five days before the inoculation
with the pathogen. Urediniospores of P. psidii were collected from plants naturally infected,
and carried out suspension of 5 x 10
4
spores/mL. The inoculation was conducted in the abaxial
surface of the leaves and disease assessment was carried out 15 days after inoculation based
on a rust rating scale with four class of severity. Treatments with Acibenzolar-S-metil (ASM),
Agro-Mos e S. cerevisiae showed better results of control. And the other treatments were not
effective for control. The determination of the activities of chitinase and peroxidase showed
increased activity in both clones 48 hours after inoculation with pathogen, coinciding with the
reduction of the disease provided by the action of inducers.
INTRODUÇÃO
A importância da cultura do eucalipto para o Brasil pode ser avaliada pela
participação do setor florestal na economia do país. A estimativa do valor Bruto da produção
vegetal no setor de florestas plantadas alcançou R$ 49,8 bilhões, em 2007 (1). O sistema
41
agroindustrial florestal no segmento de florestas plantadas (primário e processamento
industrial) em 2007 gerou aproximadamente 4,6 milhões de empregos, incluindo diretos (656
mil) indiretos (1,8 milhões) e empregos resultantes do efeito-renda (2,1 milhões).
Entretanto, como cultura inserida no Brasil, o eucalipto tem se mostrado
suscetível à uma série de doenças, na sua maioria, provocada por fungos patogênicos desde a
fase de viveiro até os plantios adultos. Nos últimos anos tem ocorrido um significativo
aumento na incidência de doenças na etapa de produção de mudas e em plantios de
Eucalyptus, bem como o surgimento de novas enfermidades (2). Levantamentos efetuados em
plantios seminais de E. grandis nas regiões do Vale do Paraíba e sul do Estado de São Paulo
revelaram que 35% das árvores apresentavam ferrugem (P. psidii) aos 6 meses de idade. As
plantas altamente infectadas tiveram reduções de 25 a 35% em altura e diâmetro quando
comparada com as sadias (Takahashi, 2002).
O agente causal da ferrugem do eucalipto é o fungo P. psidii Winter que apresenta
uma distribuição geográfica ampla. No Brasil a doença constitui um sério problema,
principalmente devido à ocorrência de condições ambientais favoráveis praticamente durante
todo o ano em algumas regiões. Desde 1973 perdas econômicas preocupantes de até 100% tem
sido registradas sobre espécies do gênero Eucalyptus (5). O controle da ferrugem de acordo
com Santos et al. (32), em condições de campo, não justifica os gastos com aplicações de
fungicidas em função das perdas verificadas. As melhores práticas envolvem estratégias de
escape evitando-se áreas propícias à ocorrência da doença ou evitando-se o plantio de
materiais suscetíveis nas regiões favoráveis. Desse modo o uso da resistência genética é
apontada como a melhor opção para o controle da ferrugem do eucalipto, devido à existência
42
de variabilidade no grau de resistência, tanto entre espécies de Eucalyptus, quanto entre
procedências de uma mesma espécie.
A resistência induzida em plantas, também conhecida como indução de proteção,
imunidade adquirida ou resistência sistêmica adquirida, envolve a ativação dos mecanismos
latentes de resistência em uma planta através de tratamentos com agentes bióticos ou abióticos
(20). O termo indução de resistência pode ser utilizado para designar uma proteção local, isto
é, a indução de resistência apenas nos tecidos onde se efetuou o tratamento com o agente
indutor, como também pode indicar uma resistência sistêmica que se manifesta a distância do
local de aplicação do indutor (27).
Os agentes indutores de origem biótica ou abiótica capazes de ativar ou induzir
qualquer resposta de resistência nas plantas são chamados de elicitores (34), podendo
apresentar natureza química variada como oligossacarídeos, glicoproteínas, oligopeptídeos e
ácidos graxos, o que demonstra a não existência de característica estrutural única na
determinação da atividade elicitora (36). Após o reconhecimento, uma cascata de sinais é
acionada, o que leva a ativação dos mecanismos de defesa das plantas.
A indução de resistência ocorre pela ativação de genes que codificam uma série de
proteínas relacionadas à patogenese (proteínas-RP) e enzimas envolvidas na síntese de
fitoalexinas e lignina. A detecção e quantificação da expressão dessas enzimas seria uma das
formas de separar o efeito indutor de resistência do efeito tóxico direto de determinado
produto (34). As proteínas-RP englobam famílias de proteínas com características variadas
(quitinases, β-1,3-glucanases, lisozimas, peroxidases, osmotinas, dentre outras), mas com o
fato em comum de estarem todas relacionadas aos processos de defesa durante a patogênese,
43
apresentando dessa forma, potencial para serem exploradas nos programas de indução de
proteção em plantas (40).
Diante do exposto, para a elucidação dos mecanismos de ação dos indutores
bióticos e abióticos no fenômeno de proteção do eucalipto contra fungo P. psidii, no presente
trabalho procurou-se avaliar o potencial dos indutores na redução da severidade da doença
correlacionando com capacidade dos indutores em alterar o metabolismo das plantas, com
base na atividade das enzimas quitinase e peroxidase.
MATERIAL E MÉTODOS
Cultivo e manutenção das plantas
Foram utilizadas mudas clonais de eucalipto híbrido das espécies E. grandis x E.
urophylla, denominados ‘Urograndis’, gentilmente cedidas pela empresa Votorantim Celulose
e Papel. Foram utilizados dois clones de reação resistência/suscetibilidade conhecida. Um
clone resistente à ferrugem denominado C0 e um clone classificado como suscetível
denominado VR. As mudas foram mantidas em vasos em casa de vegetação climatizada no
setor de Defesa Fitossanitária do Departamento de Produção Vegetal da Faculdade de Ciências
Agronômicas da UNESP-Botucatu.
Tratamento com indutores bióticos e abióticos
O delineamento foi inteiramente casualisado com cinco repetições por tratamento,
onde cada planta representou uma repetição. Foram utilizadas plantas do clone VR (suscetível
a ferrugem) com 2 meses de idade. Cada planta foi pulverizada com 15 mL de calda dos
seguintes tratamentos: Acibenzolar-S-metil (50 ppm) (ASM), que consiste em um composto
sintético éster-S-metil do ácido benzo-(1,2,3)-tiadiazol-7-carbotióico, derivado do
44
benzotiadiazol que é um análogo funcional do ácido salicílico e tem sido amplamente
estudado como agente indutor de resistência. O efeito da levedura S. cerevisiae foi verificado a
partir do fermento biológico Fleischmann®. Para isso foi submetido a quatro autoclavagens de
uma hora cada a 121 ºC a 1 atm e entre os intervalos de autoclavagem, a suspensão foi retirada
e resfriada em gelo por 20 minutos. Após as quatro autoclavagens a suspensão ficou em
descanso por 2 horas para decantação, onde foi utilizado o sobrenadante. A aplicação nas
plantas foi efetuada na dosagem de 200 mg/L. O produto Agro-Mos®, um
mananoligossacarídeo fosforilado derivado da parede da levedura S. cerevisae (Hansen),
Improcrop Brasil, foi aplicado nas plantas em uma dosagem equivalente a 1,5 L/ha. A
formulação da bactéria Bacillus thuringiensis utilizada no experimento foi uma formulação
comercial chamada Dipel®, produzida pela empresa Abbott S/A, com o mínimo de 27,5
bilhões de bastonetes/ml de suspensão, que foi aplicado na dosagem de 20 mg/mL. O produto
denominado Ecolife
40
(Quinabra S.A.) é um biofertilizante constituido por ácido ascorbico,
cítrico e láctico, flavonóides e fitoalexinas cítricas o qual foi aplicado na dosagem de 0,6 L/ha.
O produto comercial Crop-set é um fertilizante foliar a base de Citocininas, manganês, ferro e
cobre foi aplicado na dosagem de 0,6 L / ha. Além das plantas do clone VR e C0 pulverizadas
com esses indutores de resistência também foram utilizadas plantas inoculadas e não
inoculadas com o fungo P. psidii.
Obtenção e manutenção do patógeno, método de inoculação e avaliação
Cinco dias após os tratamentos com os indutores as plantas foram inoculadas com
uredosporos de P. psidii obtidos de plantas de eucalipto infectadas naturalmente no campo. A
partir dessa coleta foi preparada uma suspensão com 5 x 10
4
uredosporos/ mL, em água
destilada contendo Tween 80 (0,05%).
45
O método de inoculação consistiu na aplicação da suspensão na face dorsal das
folhas com o auxílio de uma bomba de vácuo. Em seguida as plantas foram mantidas em
câmara de crescimento regulada para 21ºC, fotoperíodo de 12 horas e com alta umidade
relativa. A avaliação da doença foi realizada 15 dias após a inoculação, estimando-se por meio
de uma escala de notas, o tipo de reação à infecção, proposta por Aparecido et al.(2003), onde:
S0 = imunidade ou reação de hipersensibilidade; S1 = poucas pústulas sem esporulação; S2 =
muitas pústulas, com esporulação; e S3 = muitas pústulas com grande esporulação.
Determinação das atividades enzimáticas
As análises bioquímicas foram realizadas no laboratório de Fisiologia do
Parasitismo no setor de Fitopatologia da Escola Superior de Agricultura Luiz de Queiroz –
USP. A determinação das atividades de quitinase e peroxidase envolveu apenas plantas que
receberam tratamentos que se mostraram eficientes no controle da doença. O experimento foi
organizado em delineamento inteiramente casualizado com quatro repetições onde cada planta
representou uma repetição. O experimento foi representado por plantas do clone VR
(suscetível à ferrugem) disposto em esquema fatorial 2 x 3 considerando plantas inoculadas e
não inoculadas com P. psidii e plantas pulverizadas com acibenzolar-S-metil (ASM), com S.
cerevisiae (S.c) 5 dias antes da inoculação e plantas que não foram tratadas com indutores de
resistência. Além de plantas do clone C0 inoculadas e não inoculadas que foram utilizadas
com padrão de resistência à ferrugem.
As amostras foram representadas pelo 1º par de folhas (com tamanho equivalente a
1/5 do comprimento foliar) e pelo 2º par de folhas (2/5 do comprimento total). A coleta se deu
48 horas após inoculação, as amostras foram mantidas em freezer –18 ºC para posterior
46
obtenção do extrato protéico. Para as análises estatísticas os dados foram submetidos à análise
de variância e as médias comparadas pelo teste de Tukey a 5 % de probabilidade.
Obtenção dos extratos protéicos
Amostras de 0,5 g de folhas correspondendo a cada tratamento foram maceradas
em almofariz com nitrogênio líquido e em seguida homogeneizadas em 4 mL de tampão
acetato de sódio 0,1 M pH 5,0, contendo 2,56 g de Polivinilpirrolidona (PVP) e
Phenylmethanesulfonyl fluoride 5mM (PMSF). Os extratos foram centrifugados a 20.000 g
por 25 minutos a 4 ºC e o sobrenadante foi transferido para tubos Eppendorf e armazenado a
-20°C. Os sobrenadantes foram utilizados para se avaliar as atividades de quitinase e
peroxidase.
Metodologia para determinação da atividade de quitinase
A atividade enzimática da quitinase foi avaliada através da liberação de
fragmentos solúveis de “CM-chitin-RBV”, a partir de quitina carboximetilada marcada com
remazol brilhante violeta (CM-Quitin-RBV 4 mg mL
-1
, Loewe Biochemica GmbH) (37). Para
tanto, 200 µL do extrato protéico foi misturado com 600 µL do mesmo tampão de extração e
200 µL de “CM-chitin-RBV” (2,0 mg mL
-1
). Após 20 minutos a 40°C, a reação foi paralisada
com a adição de 200 µL de solução de HCl 1 M, seguida de resfriamento em gelo e
centrifugação a 10.000g / 5 minutos. A absorbância a 550 nm do sobrenadante foi determinada
tendo-se tampão de extração na cubeta de referência. Os resultados foram expressos em
unidades de absorbância.min
-1
.mg proteína
-1
, descontando-se os valores de absorbância do
controle (800 µL de tampão de extração + 200 µL de “CM-chitin-RBV”). A concentração de
proteínas expressa em termos de equivalentes µg de albumina de soro bovino (ASB) em um
47
mL de amostra (µg proteína mL
-1
), foi determinada utilizando-se curva padrão de
concentrações de ASB variando de 0 a 20 µg mL
-1
.
Metodologia para determinação da atividade de peroxidase
A atividade da peroxidase foi determinada a 30 ºC, através de método
espectrofotométrico direto, pela medida da conversão do guaiacol em tetraguaiacol a 470 nm
(26). A mistura da reação continha 0,10 mL do extrato protéico e 2,9 mL de solução com 250
µL de guaiacol e 306 µL de peróxido de hidrogênio em 100 mL de tampão fosfato 0,01M (pH
6,0). A cubeta de referência continha 3 mL da solução com 250 µL de guaiacol e 306 µL de
peróxido de hidrogênio em 100 mL de tampão fosfato 0,01 M (pH 6,0). A atividade da
peroxidase foi expressa como atividade específica (unidades de absorbância.min
-1
.mg
proteína
-1
). A concentração de proteínas expressa em termos de equivalentes µg de albumina
de soro bovino (ASB) em um mL de amostra (µg proteína mL
-1
), foi determinada utilizando-se
curva padrão de concentrações de ASB variando de 0 a 20 µg mL
-1
.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Efeito dos indutores de resistência
A avaliação da doença foi realizada 15 dias após a inoculação, estimando-se por
meio de uma escala de notas proposta por Aparecido et al. (5). De acordo com a escala, os
tratamentos que obtiveram melhores resultados de resistência à ferrugem, de modo que foram
classificados quanto ao tipo de infecção como S0 (ausência de pústulas), foram: Acibenzolar-
S-metil (ASM), S. cerevisiae (S.c) e Ecolife
40
(Tabela 1). As plantas que receberam o
tratamento Dipel, produto a base de Bacillus thuringiensis, apresentaram classificação S01. Os
48
tratamentos com Agro-Mos e Crop-set não foram eficazes para o controle da ferrugem de
modo que foram classificados com S02 (muitas pústulas, com esporulação) (Tabela 1).
Tabela 1. Severidade da ferrugem do eucalipto, baseados na escala de notas proposta por
Aparecido et al. (2003), em plantas tratadas com indutores de resistência bióticos e abióticos,
avaliados 15 dias após inoculação com P. psidii
Tratamentos
Descrição Escalas de notas da
doença
1 Testemunha C0 inoculada S0
2 TestemunhaVR inoculada S2
3 Acibenzolar-S-metil (ASM) + inoc. S0
4 Agro-Mos + inoc. S2
5 Saccharomyces cerevisiae + inoc S0
6 Dipel + inoc. S1
7 Ecolife
40
+ inoc. S0
8 Crop-set + inoc. S2
9 VR s/inoculo S0
10 C0 s/inoculo S0
Os indutores podem atuar de diferentes maneiras, porém, sempre levando à
ativação do sistema de defesa das plantas. O ASM é um análogo funcional do ácido salicílico,
que age induzindo a ativação de genes que codificam proteínas-RP e enzimas relacionadas
com a produção de fitoalexinas e lignina (12). O ASM tem se mostrado experimentalmente
induzir resistência contra algumas doenças onde medidas eficazes de controle são raras ou
mesmo ausentes, como a podridão radicular em tomateiro causada por Fuarium oxysporum f.
sp radicis-iycopersici (7) e a virose provocada pelo Cucumber mosaic vírus (4).
Guzzo et al. (19) verificaram o efeito acibenzolar-S-metil em cafeeiro suscetível a
Hemileia vastatrix e observaram indução de proteção à planta. Os mesmos autores
observaram, pela microscopia de fluorescência, que o ASM aplicado in vivo não interfere na
49
germinação dos esporos e na formação de apressórios de H. vastatrix, concluindo assim, que o
ASM não possui ação antimicrobiana direta aos patógenos, mas induz a expressão de genes de
resistência para a formação de compostos que impedem ou dificultam o estabelecimento ou
desenvolvimento destes patógenos.
Segundo Cardoso Filho (10), inúmeros trabalhos evidenciam o potencial da
levedura S.cerevisiae na ativação de mecanismos de resistência e na proteção de plantas contra
fitopatógenos. O grupo de pesquisas do Laboratório de Fisiologia e Bioquímica Fitopatológica
do setor de Fitopatologia da Escola Superior de Agricultura Luiz de Queiróz (ESALQ),
liderado pelo Prof. Sérgio F. Pascholati, têm demonstrado o efeito de suspensões de células
dessa levedura (linhagem de panificação), bem como do filtrado dessas suspensões na
proteção de plantas de sorgo contra Colletotrichum graminicola e Exserohilum turcicum, de
milho contra C.graminicola e E. turcicum, de maracujá contra Xanthomonas campestris pv.
passifora e de eucalipto contra Botrytis cinerea. Em outros resultados, evidenciaram a
obtenção de elicitores glicoproteicos de S. cerevisiae, os quais estimulam o acúmulo de
fitoalexinas em mesocótilos de sorgo (42,25).
É muito provável que a resistência induzida por S. cerevisiae esteja ligada à
presença de determinados carboidratos e glicoproteínas presentes em sua parede celular (41).
De acordo com Labanca, (25) a parede da levedura é formada basicamente por polissacarídeos
e proteínas, com a seguinte distribuição aproximada em peso: 50 % β−1,3-glucanas, 10 %
β−1,6- glucanas, 40 % manoproteínas e 1-3 % quitina. A autoclavagem de células de S.
cerevisiae leva a liberação de diversos polímeros e oligômeros com massa molecular, carga e
conteúdo de açúcares e de proteínas bastante variavel. Wulff & Pascholati (41) extraíram
desse modo uma glicoproteína carregada negativamente (em pH 8), cuja porção protéica é
50
importante para a indução da síntese de fitoalexinas em mesocótilos de sorgo.
O Ecolife® se mostrou eficiente no controle de P. psidii baseados na escala de
notas (Tabela 1). Resultados semelhantes também foram obtidos por Costa et al. (15), onde o
composto Ecolife® reduziu a severidade da ferrugem do cafeeiro em até 73% em comparação
a testemunha, evidenciando o efeito protetor desses produtos nas dosagens utilizadas. No
entanto não se pode inferir que somente a indução de resistência tenha ocorrido, visto que o
Ecolife® pode estar atuando diretamente sobre o patógeno apresentando um efeito
antimicrobiano, em vista de outros autores terem detectado atividade antimicrobiana do
produto. Segundo Cavalcanti et al. (11) foi sugerido que altas concentrações de polifenóis e
moléculas correlatas observadas em Ecolife® induziram toxidez direta sobre colônias de X.
vesicatoria, visto que a formulação é baseada em flavonóides, polifenóis e fitoalexinas
extraídos de biomassa cítrica.
Segundo Bonaldo et al. (8) quando as plantas são expostas a indutores bióticos ou
abióticos e ficam protegidas contra patógenos, não implica necessariamente que a indução
tenha ocorrido, visto que o agente de controle pode estar induzindo resistência ou atuando
diretamente sobre o pátogeno, ou ambos ao mesmo tempo o que descaracterizaria o efeito da
indução da resistência.
Atividade de quitinase
Tanto o clone VR como o clone C0, que não foram previamente tratados com
ASM ou S. cerevisiae (S.c) apresentaram aumento de atividade da enzima quitinase 48 horas
após inoculação com o fungo P. psidii, quando comparados com as respectivas testemunhas
sem a presença do patógeno. No entanto, de acordo com Ryals (1996) citado por Junqueira
(22) a rapidez e/ou intensidade com que a reação de defesa ocorre, determinará resistência ou
51
não ao patógeno. Assim durante o curso da interação entre os clones e o patógeno, efetivas
isomorfas dessas enzimas podem não ser produzidas em quantidade suficiente, tempo e local
correto, o que justificaria alta severidade da doença nas plantas do clone VR que não
receberam tratamento com indutor de resistência. As proteína-RP são identificadas por seu
simples acúmulo em plantas submetidas a uma situação de patogênese. Entretanto, estudos
recentes têm mostrado que a super expressão de genes de quitinases em plantas, tem
aumentado a resistência dessas plantas a patógenos, uma vez que a enzima catalisa a hidrólise
dos polímeros quitina, componentes principais das paredes celular dos fungos, podendo
apresentar atividade antimicrobiana (40).
Figura 1. Atividade de quitinase a partir de tecido foliar de Eucalyptus dos clones C0 (moderadamente
resistente) e VR (suscetível) inoculados e não inoculados com P. psidii; pulverizados com acibenzolar-
S-metil (ASM), Saccharomyces cerevisiae (S.c) cinco dias antes inoculação. As folhas foram coletadas
48 horas após inoculação. Colunas seguidas pela mesma letra não diferem estatisticamente pelo teste
Tukey 5 % de probabilidade.
A presença do patógeno, após tratamentos com indutores bióticos ou abióticos,
altera a magnitude dos eventos bioquímicos, bem como, promove o acionamento de outros
52
mecanismos, enquanto que, plantas não induzidas e inoculadas com o patógeno apresentam
menor magnitude desses eventos bioquímicos. Dessa forma, quando plantas são pré-
inoculadas com um microrganismo ou tratadas com indutores abióticos de resistência
sistêmica, embora pouco se observe em termos de alterações bioquímicas, a planta
sistemicamente protegida reage de forma mais rápida e eficientemente ao desafio com um
patógeno virulento (21).
O composto sintético ASM e o produto da autoclavagem da levedura S.
cerevisiae obtido a partir fermento biológico Fleischmann®, quando aplicados nas plantas de
eucalipto do clone VR, cinco dias antes da inoculação com P. psidii, contribuiram para um
aumento significativo de atividade de quitinase, tanto nas plantas que não foram inoculadas
como nas plantas inoculadas, quando comparadas com as plantas testemunhas que não
receberam tratamentos ou inóculo (Figura 1). Resultados semelhantes foram apresentados por
Sobrinho (35) no patossistema Caupi-Macrophomina phaseolina onde a atividade da enzima
quitinase mostrou-se efetivamente aumentada nos tratamentos com ASM em associação com o
patógeno ou isoladamente. Roncatto, (1997) evidenciaram que as preparações da levedura S.
cerevisiae, tratadas termicamente ou não, ocasionaram aumentos na atividade dessas enzimas
hidrolíticas presentes em folhas de milho.
O aumento da atividade da enzima pode estar ligado à capacidade do ASM e da
levedura em ativar mecanismo de defesa da planta como a atividade hidrolítica da quitinase.
Segundo Busi et al. (9) a expressão da resistência levada a efeito pela aplicação do ASM se
deve ao incremento da atividade da enzima quitinase, a qual por uma ação direta, hidrolisa a
quitina presente na parede celular dos fungos.
53
Entretanto, as plantas tratadas com os indutores não sofreram aumentode atividade
da enzima 48 após inoculação com o fungo, ou seja, o incremento do nível de quitinase nas
plantas tratadas com a levedura ou com o ASM foi em decorrência apenas da ação dos
indutores. Fato que pode ter sido determinante para a eficiência no controle da ferrugem com
visto na Tabela 1.
Atividade de peroxidase
Após inoculação com P. psidii, as plantas do clone C0 que não foram previamente
tratadas com ASM ou S. cerevisiae (S.c) não apresentaram diferença significativa na atividade
da peroxidase. Entretanto, as plantas do clone VR apresentaram aumento significativo na
atividade da enzima 48 horas após a inoculação quando comparado com as plantas não
inoculadas (Figura 2). Segundo Asada (6) a atividade dessa enzima pode ser alterada em
função da resistência ou suscetibilidade de diferentes hospedeiros e na presença de diferentes
patógenos.
Figura 2. Atividade de peroxidase a partir de tecido foliar de Eucalyptus dos clones C0
(moderadamente resistente) e VR (suscetível) inoculados e não inoculados com P. psidii; pulverizados
com acibenzolar-S-metil (ASM), Saccharomyces cerevisiae (S.c) cinco dias antes inoculação. As
folhas foram coletadas 48 horas após inoculação. Colunas seguidas pela mesma letra não diferem
estatisticamente pelo teste Tukey 5 % de probabilidade.
54
As peroxidases são glicoproteínas capazes de catalizar a redução de H
2
O
2
, a
formação de lignina, a incorporação de glicoproteínas à parede celular, a destruição
peroxidativa do ácido indolilacético e de outros reguladores de crescimento. Assim, em função
de sua participação na síntese de lignina e oxidação de compostos fenólicos, a peroxidase pode
contribuir na resistência das plantas contra fitopatógenos (40).
Entretanto, esse aumento na atividade da peroxidase nas plantas do clone VR
inoculadas (Figura 2) pode não ter relação direta com o sistema de defesa da planta, visto que,
esse aumento de expressão pode não ter sido produzido em quantidade suficiente, tempo e
local correto, o que justificaria alta severidade da doença nas plantas do clone VR, uma vez
que essas plantas quando inoculadas apresentaram alta severidade da doença e foram
classificadas como suscetíveis (Tabela 1).
Além disso, segundo Labanca (25), essas enzimas podem não ter uma relação
direta com o estabelecimento da indução de resistência. Ray et al. (30) observaram que plantas
de tomate transformadas para expressão de uma peroxidase de pepino tiveram um grande
aumento na atividade das enzimas, no entanto, não foi verificado aumento de resistência
dessas plantas a patógenos. Dalisay & Kuc (16) demonstraram que as peroxidases não têm
relação direta com a indução de resistência em pepino e, portanto, não podem ser usadas como
um marcador de resistência.
Embora as peroxidases não possam ser utilizadas como marcadores de resistência,
a alteração na sua atividade é um indício de metabolismo alterado. Uma das funções das
peroxidases é a formação da lignina pela polimerização de fenóis. Assim sendo, é esperado
que alterações na atividade de peroxidases envolvam também alteração na atividade de outras
enzimas presentes na mesma rota metabólica. Devido a estes fatos, as peroxidases são usadas
55
em estudos de indução de resistência, não como um marcador, mas sim como uma das muitas
respostas de defesa manifestadas pelas plantas (25).
O comportamento enzima peroxidase não se mostrou diferenciado quando as
plantas do clone VR foram previamente tratadas com Acibenzolar-S-metil (ASM), entretanto,
quando tratadas com S. cerevisiae apresentaram aumento nos níveis de expressão da enzima,
comparado com a testemunha que não recebera tratamento. Resultados semelhantes foram
apresentados por Roncatto & Pascholati (31) usando preparações de células da levedura ou
seus filtrados, tratadas ou não termicamente, que alteraram a atividade da peroxidase em
tecidos de milho e sorgo. Segundo os autores, as alterações ocorridas na atividade da enzima
nesses tecidos, quando do tratamento com S. cerevisiae, provavelmente deveram-se ao fato da
planta "reconhecer" a levedura ou seus metabólitos e, portanto, alterar o metabolismo normal
em resposta ao possível invasor.
Os maiores níveis de atividade da enzima foram encontrados em plantas do clone
VR tratadas com ASM ou com S. cerevisiae e inoculadas com P. psidii (Figura 1),
evidenciando que esse mecanismo foi acionado, apresentando maior expressão a partir do
desafio com o patógeno em plantas pré-condicionadas pelo efeito dos indutores. O pré-
condicionamento é um importante componente da resistência sistêmica induzida (14) e está
associado ao aumento da capacidade para uma rápida e efetiva ativação das respostas de
defesa celular, as quais são induzidas somente após o contato com o patógeno desafiante (13).
Quando a planta é induzida pela presença de um elicitor, são perceptíveis alterações em seu
metabolismo. Porém, quando comparada a uma planta induzida com o mesmo elicitor e
posteriormente desafiada com um patógeno, nota-se que as alterações no metabolismo são
56
mais intensas do que na planta apenas desafiada ou apenas induzida, evidenciando-se que a
planta está mais capacitada para responder a presença do patógeno (24).
AGRADECIMENTOS
Ao Professor Dr. Sérgio Florentino Pascholati por permitir a realização desse
trabalho no Laboratório de Fisiologia e Bioquímica de plantas do setor de fitopatologia da
ESALQ-USP , à toda a equipe do laboratório em especial ao Dr Odair José Kuhn
À equipe de melhoramento da Votorantim Celulose e Papel (VCP), por cederem
material contrastante para este estudo, nas pessoas de Cezar Bonine, Donizete C. Dias.
À FAPESP (Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo) pelo apoio
financeiro.
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62
CAPÍTULO II
ATIVIDADE DE QUITINASE E PEROXIDASE EM FOLHAS DE EUCALIPTO COM
DIFERENTES ESTÁGIOS DE DESENVOLVIMENTO APÓS INOCULAÇÃO COM Puccinia
psidii E TRATAMENTO COM ACIBENZOLAR-S-METIL (ASM)
63
Atividade de quitinase e peroxidase em folhas de eucalipto com diferentes estágios de
desenvolvimento após inoculação com Puccinia psidii e tratamento com Acibenzolar-S-metil
(ASM)
Leonardo Pires Boava
1,2
1
Departamento de Produção Vegetal, Setor de Defesa Fitossanitária, Faculdade de Ciências
Agronômicas, Universidade Estadual Paulista “Julio de Mesquita Filho”, CEP 18603-970, CP 237,
Botucatu, SP
2
Bolsita FAPESP e-mail: [email protected].br
RESUMO
Visando esclarecer os processos bioquímicos durante o processo de infecção no patossistema Puccinia
psidii x eucalipto foi comparado o metabolismo relacionado à defesa em folhas com diferentes níveis
de desenvolvimento, em clone resistente e suscetível à ferrugem determinando a atividade de
peroxidase e quitinase. Cada tratamento foi composto de 4 repetições, organizado em delineamento
inteiramente casualizado, considerando: 2 clones, inoculados e não inoculados com P. psidii;
pulverizados com acibenzolar-S-metil (ASM) e água destilada; representados pelo 1º par de folha (com
tamanho equivalente a 1/5 do desenvolvimento foliar total), 2º par de folha (2/5 do desenvolvimento
total) e 4º par (4/5 do comprimento foliar). A coleta das folhas ocorreu em 4 períodos: 0, 24, 72 e 96
horas após inoculação. Os resultados obtidos evidenciaram que apesar de apresentarem níveis
superiores de atividade da quitinase e peroxidase o efeito do Acibenzolar-S-metil (ASM) ou a ação da
P. psidii não alteraram a expressão dessas atividades em folhas desenvolvidas (4º par) no decorrer do
período. Alterações nos níveis da enzima após inoculação apenas puderam ser observadas nas folhas
em desenvolvimento (1º e 2º pares), evidenciando que a resposta à infecção foi acompanhada pela
síntese de quitinase e peroxidase. Os maiores incrementos nas atividades enzimáticas foram
encontrados nas plantas do clone resistente 72 horas após inoculação e nas plantas do clone suscetível
64
que foram tratadas previamente com o composto Acibenzolar-S-metil (ASM) e posteriormente
inoculadas com o patógeno.
ABSTRACT
Chitinase and peroxidase activity in different stages of eucalypt leaves after inoculation with
Puccinia psidii and Acibenzolar-S-metil
Seeking to explain the biochemical events during the infection process in the pathossystem Puccinia
psidii x Eucalyptus was compared the metabolism related to defence in leaves with different stages of
development in resistant and susceptible genotypes, determining the activity of peroxidase and
chitinase. Each treatment was composed of 4 replication, organized in a completely randomized
design, considering: 2 genotypes, inoculated and non-inoculated with P. psidii; sprayed with
acibenzolar-S-methyl (ASM) and distilled water; represented by the 1st pair of leaves (with a size
equivalent to 1 / 5 of total development leaf) 2nd pair of leaves (2/5 of total development) and 4 par
(4/5 length of the leaf). The collection of leaves occurred in 4 seasons: 0, 24, 72 and 96 hours after
inoculation. The results showed that despite the present higher levels of activity of chitinase and
peroxidase and the effect of Acibenzolar-S-methyl (ASM) or the action of P. psidii did not alter the
expression of these activities in developed leaves (4th par). Changes in the enzyme levels after
inoculation was observed in young leaves (1st and 2nd pairs), showing that the response to infection
was accompanied by the chitinase and peroxidase synthesis. The largest increase in the enzyme
activities were found in VR 72 hours after inoculation and previously treated with the compound
Acibenzolar-S-methyl (ASM).
INTRODUÇÃO
A ferrugem causada por P. psidii é uma das principais doenças do eucalipto no
Brasil, provocando prejuízos em viveiros e no campo (Alfenas et al., 2004). Levantamentos efetuados
em plantios seminais de Eucalyptus grandis nas regiões do Vale do Paraíba e sul do Estado de São
65
Paulo revelaram que 35% das árvores apresentavam ferrugem (P. psidii) aos 6 meses de idade. As
plantas altamente infectadas tiveram reduções de 25 a 35% em altura e diâmetro quando comparada
com as sadias (Takahashi, 2002).
A ferrugem do eucalipto ataca plantas jovens com menos de dois anos de idade,
sempre em órgãos tenros como primórdios foliares, terminais de galhos e haste principal (Figueiredo,
2001). Os estágios de desenvolvimento foliar são muito importantes, pois as folhas são suscetíveis até
o estágio 3, ou seja até os 3/5 do seu desenvolvimento em comprimento do limbo (Ruiz, 2007). O
fungo P. psidii Winter realiza complexas interações biotróficas mediante hifas especializadas e os
nutrientes são transportados através de sistemas de membrana especializados (Thordal-Christens,
2003). A primeira linha de defesa de uma planta contra agentes invasores é a sua superfície, onde
ocorre a aderência do patógeno, que utiliza seus artifícios para penetrar na mesma e causar a infecção.
A forma física da cutícula, o número de estômatos e de tricomas por área de epiderme são fatores
importantes na definição do nível de resistência a patógenos por algumas espécies vegetais (Agrios,
2005).
A planta ao ser invadida por um patógeno pode desencadear uma série de
mecanismos de defesa na tentativa de conter o agente agressor. Após a infecção, pode aumentar o nível
de compostos de defesa pré-existentes nas plantas ou ocorrer a ativação de outros mecanismos de
resistência (pós-formados) que são sintetizados e acumulados nos tecidos do hospedeiro como as
proteínas relacionadas à patogênese (proteínas-RP), fitoalexinas, calose, lignina, papilas, camadas de
cortiça e tiloses (Pascholati & Leite, 1995).
O fenômeno da resistência induzida tem sido demonstrado em muitas espécies de
plantas, onde vários estudos têm revelado a expressão de respostas de defesa contra vários e
importantes agentes de doença vegetal, tais como vírus, fungos, bactérias e nematóides, cujos
diferentes mecanismos têm sido estimulados por várias substâncias (Sobrinho, 2004). A indução da
66
resitência pode ser desencadeada pela aplicação de substâncias naturais e/ou sintéticas, por
microrganismos inativados e/ou por suas partes (Cavalcanti, 2000).
Visando esclarecer os processos bioquímicos durante o processo de infecção no
patossistema P. psidii x eucalipto foi comparado o metabolismo relacionado à defesa entre folhas com
diferentes estágios de desenvolvimento em plantas resistentes e suscetíveis à ferrugem, após tratamento
com o indutor de resistência Acibenzolar-S-metil e inoculação com P. psidii determinando a atividade
de peroxidase e quitinase.
MATERIAL E MÉTODOS
Material vegetal, tratamento com indutor de resistência e inoculação
Foram utilizadas mudas clonais de sessenta dias de idade, provenientes de híbridos
das espécies Eucalyptus grandis x Eucalyptus urophylla, denominados ‘Urograndis’, gentilmente
cedidas pela empresa Votorantim Celulose e Papel. De acordo com testes de resistência ao fungo P.
psidii realizados no Setor de Defesa Fitossanitária/FCA/UNESP-Botucatu-SP, e através de índices de
incidência e severidade da doença proveniente de levantamentos realizados pela própria empresa,
foram selecionados dois clones de reação resistência/suscetibilidade conhecida. Sendo assim, o clone
C0 foi utilizado como padrão de resistência à ferrugem e o clone VR como padrão suscetibilidade.
O indutor de resistência Acibenzolar-S-metil (ASM), produto comercial Bion®
500WG (Syngenta), derivado do benzotiadiazol, um análogo funcional do ácido salicílico, que tem
sido amplamente estudado como agente indutor de resistência, foi pulverizado na dose de 50 ppm.
Cinco dias após o tratamento com o indutor as plantas foram inoculadas com P. psidii. A obtenção do
inóculo consistiu na coleta de uredósporos de P. psidii de plantas de eucalipto infectadas naturalmente
no campo. A partir dessa coleta foi preparado uma suspensão de 5 x 10
4
esporos/ mL, em água
destilada contendo Tween 80 (0,05%). O método de inoculação consistiu na aplicação da suspensão na
face dorsal das folhas com o auxílio de uma bomba de vácuo, e em seguida as plantas foram mantidas
67
em câmara de crescimento regulada para 21ºC, fotoperíodo de 12 horas e com alta umidade relativa.
As amostras de folhas, em diferentes estágios foliares foram coletadas, 0, 24, 72 e 96 horas após a
inoculação e encaminhadas para as análises.
Obtenção dos extratos protéicos
As análises bioquímicas foram realizadas no laboratório de Fisiologia do
Parasitismo no setor de Fitopatologia da Escola Superior de Agricultura ‘Luiz de Queiroz’-USP.
Amostras de 0,5 g de folhas de cada tratamento foram maceradas em almofariz com nitrogênio líquido
e em seguida homogeneizadas em 4 ml de tampão acetato de sódio 0,1 M pH 5,0, contendo 2,56 g de
Polivinilpirrolidona (PVP) e Phenylmethanesulfonyl fluoride 5mM (PMSF). Os extratos foram
centrifugados a 20.000 g por 25 min a 4 ºC e o sobrenadante foi transferido para tubos Eppendorf e
armazenado a –20 °C. Os sobrenadantes foram utilizados para se avaliar as atividades de quitinase e
peroxidase.
Determinação da atividade de quitinase
A atividade enzimática da quitinase foi avaliada através da liberação de
fragmentos solúveis de “CM-chitin-RBV”, a partir de quitina carboximetilada marcada com remazol
brilhante violeta (CM-Quitin-RBV 4 mg mL
-1
, Loewe Biochemica GmbH) (Stangarlin; Pascholati;
Labate, 2000). Para tanto, 200 µL do extrato protéico foi misturado com 600 µL do mesmo tampão de
extração e 200 µL de “CM-chitin-RBV” (2,0 mg mL
-1
). Após incubação por 20 min. a 40°C, a reação
foi paralisada com a adição de 200 µL de solução de HCl 1 M, seguida de resfriamento em gelo e
centrifugação a 10.000g / 5 min. A absorbância a 550 nm do sobrenadante foi determinada tendo-se
tampão de extração na cubeta de referência. Os resultados foram expressos em unidades de
absorbância.min
-1
.mg proteína
-1
, descontando-se os valores de absorbância do controle (800 µL de
tampão de extração + 200 µL de “CM-chitin-RBV”). A concentração de proteínas, expressa em termos
de equivalentes µg de albumina de soro bovino (ASB) em um mL de amostra (µg proteína mL
-1
), foi
determinada utilizando-se curva padrão de concentrações de ASB, variando de 0 a 20 µg mL
-1
.
68
Determinação da atividade de peroxidase
A atividade da peroxidase foi determinada a 30 ºC, através de método
espectrofotométrico direto, pela medida da conversão do guaiacol em tetraguaiacol a 470 nm (Luso e
Pascholati, 1999). A mistura da reação continha 0,10 mL do extrato protéico e 2,9 mL de solução com
250 µL de guaiacol e 306 µL de peróxido de hidrogênio em 100 mL de tampão fosfato 0,01M (pH
6,0). A cubeta de referência continha 3 mL da solução com 250 µL de guaiacol e 306 µL de peróxido
de hidrogênio em 100 mL de tampão fosfato 0,01 M (pH 6,0). A atividade da peroxidase foi expressa
como atividade específica (unidades de absorbância.min
-1
.mg proteína
-1
) A concentração de proteínas,
expressa em termos de equivalentes µg de albumina de soro bovino (ASB) em um mL de amostra (µg
proteína mL
-1
), foi determinada utilizando-se curva padrão de concentrações de ASB, variando de 0 a
20 µg mL
-1
.
Delineamento experimental
Cada tratamento foi composto de quatro repetições, organizado em delineamento
inteiramente casualizado dispostos em esquema fatorial 2x2x2x3x4 considerando 2 clones
(moderadamente resistente e suscetível); inoculados e não inoculados com P. psidii; pulverizados com
acibenzolar-S-metil (ASM) e água destilada (H
2
O); representados pelo 1º par de folha (com tamanho
equivalente a 1/5 do desenvolvimento foliar total), 2º par de folha (2/5 do desenvolvimento total) e 4º
par (4/5 de desenvolvimento). Para as análises estatísticas os dados foram submetidos à análise de
variância e as médias comparadas pelo teste de Tukey a 5 % de probabilidade. A coleta das folhas foi
realizada em quatro diferentes épocas: 0, 24, 72 e 96 horas após inoculação e as amostras foram
mantidas em freezer -18ºC até o momento da determinação da concentração de proteína e das
atividades de peroxidase e quitinase.
69
RESULTADOS
Atividade de quitinase
Os níveis de atividade de quitinase observados no decorrer do período em folhas do
4º par, em ambos os clones (C0 e VR), foram superiores em todas as condições quando comparadas
com as folhas em outros estágios de desenvolvimento (1º e 2º pares) (Figuras 1 A, B, C e D).
Entretanto, essas folhas mais desenvolvidas não apresentaram diferença de expressão significativa no
nível de atividade da enzima quando foram tratadas com Acibenzolar-S-metil, bem como não
apresentaram diferença de expressão nas primeiras 96 horas após inoculação com o patógeno, seja
quando tratadas ou não com o indutor de resistência.
Figura 1. Atividade de quitinase a partir do tecido foliar de Eucalyptus representados pelo 1º par de
folha (com tamanho equivalente a 1/5 do desenvolvimento foliar total), 2º par de folha (2/5 do
70
desenvolvimento total) e 4º par (4/5 do desenvolvimento) em 4 épocas de coleta: 0, 24, 72 e 96 horas
após inoculação. A) clone C0 (moderadamente resistente) sem tratamento prévio; B) clone C0
(resistente) tratado com acibenzolar-S-metil (ASM) cinco dias antes da inoculação com Puccinia
psidii; C) clone VR (suscetível) sem tratamento prévio; D) clone VR (suscetível) tratado com
acibenzolar-S-metil (ASM) cinco dias antes da inoculação com P. psidii. VR (suscetível) inoculados e
não inoculados com P. psidii; pulverizados com acibenzolar-S-metil (ASM) e água destilada (H
2
O)
Barras indicam a média ± o erro padrão
Alterações na expressão da enzima após inoculação apenas puderam ser observadas
em folhas com tamanho equivalente a 1/5 do desenvolvimento (1º par) ou em folhas equivalente a 2/5
do desenvolvimento total (2º par) (Figura 1). Podendo observar que as plantas de ambos os clones
aspergidas com H
2
0 destilada apresentaram estabilidade nos níveis de atividade da enzima no decorrer
do período, e quando inoculadas apresentaram aumento significativo na atividade da enzima 72 horas
após inoculação. No entanto, os incrementos na atividade enzimática foram mais acentuados no clone
C0 em relação ao clone VR (Figuras 1 A e C).
Nas folhas menos desenvolvidas dos clones VR e C0, o composto
Acibenzolar-S-metil contribuiu para um aumento significativo de atividade de quitinase quando
comparadas com as plantas testemunhas que não receberam tratamento (Figuras 1 B e D). Além disso,
as plantas de ambos os clones também apresentaram um aumento de atividade da enzima quando foram
tratadas previamente com o composto Acibenzolar-S-metil e posteriormente inoculadas com o
patógeno. Contudo esse aumento foi mais expressivo na plantas do clone VR.
Atividade de peroxidase
As folhas desenvolvidas (4º par) pertencente aos clones C0 e VR apresentaram
atividade de peroxidase superior em todas as condições quando comparadas com as folhas em outros
estágios de desenvolvimento (1º e 2º pares). No entanto a atividade da enzima não apresentou diferença
de expressão significativa quando foram tratadas com indutor de resistência Acibenzolar-S-metil ou
após serem inoculadas com o patógeno. Alterações nos níveis da enzima após inoculação ou após
71
tratamento com Acibenzolar-S-metil (ASM) apenas puderam ser observadas em folhas com tamanho
menos desenvolvidas (Figuras 2 A, B, C e D).
As folhas menos desenvolvidas das plantas de ambos os clones aspergidas
com água destilada, apresentaram estabilidade nos níveis de atividade da enzima no decorrer do
período, e quando inoculadas apresentaram aumento significativo na atividade da enzima 72 horas após
inoculação, sendo esse aumento mais acentuado no clone C0 do que no clone VR (Figura 2 A e C).
Figura 2. Atividade de peroxidase a partir do tecido foliar de Eucalyptus representados pelo 1º par de
folha (com tamanho equivalente a 1/5 do desenvolvimento foliar total) 2º par de folha (2/5 do
desenvolvimento total) e 4º par (4/5 de desenvolvimento) em 4 épocas de coleta: 0, 24, 72 e 96 horas
após inoculação. A) clone C0 (moderadamente resistente) sem tratamento prévio; B) clone C0
(moderadamente resistente) tratado com acibenzolar-S-metil (ASM) cinco dias antes da inoculação
72
com P. psidii; C) clone VR (suscetível) sem tratamento prévio; D) clone VR (suscetível) tratado com
acibenzolar-S-metil (ASM) cinco dias antes da inoculação com Puccinia psidii. VR (suscetível)
inoculados e não inoculados com P. psidii; pulverizados com acibenzolar-S-metil (ASM) e água
destilada (H
2
O) Barras indicam a média ± o erro padrão
O composto Acibenzolar-S-metil (ASM) não contribuiu para um aumento
significativo de atividade de peroxidase para ambos os clones quando comparadas com as plantas
testemunhas que não receberam tratamento (Figuras 2 B e D). No entanto o clone VR quando as
plantas estavam previamente tratadas com o indutor e foram inoculadas se observou um aumento de
atividade da enzima 72 horas após inoculação (Figura 2 D), por outro lado o clone C0 tratado com o
Acibenzolar-S-metil (ASM) não manifestou alteração após inoculação (Figura 2 B).
DISCUSSÃO
Estudos recentes têm mostrado que a super expressão de genes de quitinases em
plantas, tem aumentado a resistência dessas plantas a patógenos, uma vez que a enzima catalisa a
hidrólise dos polímeros quitina, componentes principais das paredes celular dos fungos, podendo
apresentar atividade antimicrobiana (Van Loon et al., 2006). A enzima peroxidase está diretamente
ligada à lignificação dos tecidos, a qual polimeriza lignina a partir da oxidação de hidroxilas de grupos
fenólicos (Pascholati & Leite 1995). Os mesmos autores argumentam que a lignificação e seus
precursores tóxicos exercem papel importante na relação de resistência em plantas de batata infectadas
por P. infestans. A atividade da peroxidase, na maioria dos casos, aumenta sob condições de diferentes
situações de estresse, provocada por ferimentos, infecções por fungos, salinidade, deficiência hídrica,
deficiência nutricional, dentre outros, levando também ao acréscimo na produção de lignina e etileno
(Schallenberger 1994).
Os resultados obtidos no presente trabalho evidenciaram que as folhas de estágio
mais avançado (4º par) apresentaram níveis superiores de atividade da quitinase e peroxidase no
73
decorrer do período. Alterações nos níveis da enzima após inoculação apenas puderam ser observadas
nas folhas com tamanho equivalente a 1/5 do desenvolvimento (1º par) ou em folhas equivalente a 2/5
do desenvolvimento total (2º par), evidenciando que a resposta à infecção foi acompanhada tanto pela
síntese de quitinase e peroxidase, como pelo aumento de expressão nos tecidos menos desenvolvidos.
Tal fato está relacionado com resultados apresentados por alguns autores, demonstrando presença de
sintomas de ferrugem apenas nas folhas mais novas de eucalipto. Segundo Figueredo (2001), a
ferrugem do eucalipto só ataca plantas jovens com menos de dois anos de idade, sempre em órgãos
tenros como primórdios foliares. Para Santos (2001) a doença afeta os tecidos mais jovens da parte
aérea das plantas, especialmente de mudas jovens, causando a morte do ápice.
Assumindo a possibilidade de que a expressão das enzimas esteja correlacionada
com a penetração do fungo, sugerindo a participação dessas enzimas no mecanismo de defesa das
plantas, fica evidente que as folhas mais desenvolvidas não sofreram uma ação direta do patógeno.
Visto que a primeira linha de defesa de uma planta contra agentes invasores é a sua superfície, onde
ocorre a aderência do patógeno, que utiliza seus artifícios para penetrar na mesma e causar a infecção
(Agrios, 2005). O nível de sucesso dos patógenos em atravessar a primeira barreira de defesa depende
do grau de co-evolução da relação patógeno-hospedeiro (Thordal-Christensen, 2003).
Em vista disso, vale ressaltar que a combinação de características estruturais dos
tecidos e reações bioquímicas empregadas nos processos de defesa das plantas são essenciais para a sua
manutenção no ecossistema, em função das adversidades e invasões a que estão submetidas. Assim, o
estudo das estruturas anatômicas pré-formadas da planta é de fundamental importância para uma
melhor compreensão desses processos e dos mecanismos envolvidos na resistência aos patógenos
(Souza, 2008). A composição química, a quantidade e a forma física das ceras epicuticulares de folhas
são governadas por muitos fatores, variando entre espécies (Baker & Hunt, 1981). Dessa forma, a
consideração da cutícula como estrutura de resistência deve ser analisada com prudência, visto que tal
capacidade depende das características desta e do agente de inter-relação (Silva et al, 2005). Fatores
74
esses que podem ter sido determinantes para evitar a penetração do patógeno nos tecidos mais
desenvolvidos, evidenciado pela não diferenciação de expressão das atividades enzimáticas quando a
planta fora desafiada pelo patógeno.
Souza (2008) quantificou os caracteres anatômicos foliares do eucalipto, e estudou
a micromorfologia de folha em três estágios de desenvolvimento de clones resistentes e suscetíveis a
fim de relacionar esses fatores com a resistência à ferrugem, causada pelo fungo P. psidii. No estudo
foram encontradas diferenças estruturais entre os clones e entre os níveis de desenvolvimento das
folhas. O clone resistente e as folhas mais desenvolvidas apresentaram maior espessura das cutículas
abaxial e adaxial, maior espessura do parênquima paliçádico adaxial, maior % de parênquima
paliçádico, maior número e área de cavidades oleíferas, menor espessura da epiderme abaxial e menor
espessura e % de parênquima lacunoso. Segundo a autora, esses parâmetros podem dificultar a
penetração do patógeno e a sua colonização nos tecidos do hospedeiro.
Com base nos resultados obtidos nas amostras das folhas menos
desenvolvidas, constatou-se que as plantas de ambos os clones aspergidas com H
2
0 destilada
apresentaram estabilidade nos níveis de atividade das enzimas no decorrer do período, e quando
inoculadas apresentaram aumento significativo na atividade das enzimas até 72 horas após inoculação.
Os incrementos na atividade enzimática apresentaram uma taxa constante para a quitinase no 1º e 2º
par de folha no clone C0, enquanto que no clone VR a taxa foi maior e mais constante.
Com relação à eficiência do indutor de resistência foi visto que o composto
Acibenzolar-S-metil (ASM) contribuiu para o aumento da atividade de peroxidase apenas nas folhas
em desenvolvimento do clone VR inoculadas. Quanto a atividade da quitinase foi aumentada quando
comparada com as plantas que não receberam tratamento, porém de maneira diferenciada entre os
clones, pois no C0 aumentou mais acentuadamente nas folhas mais velhas (2º e 4º par) e no VR nas
folhas mais novas (1º e 2º par). Resultados semelhantes foram apresentados por Sobrinho (2004) no
patossistem Caupi-Macrophomina phaseolina onde a atividade da enzima quitinase mostrou-se
75
efetivamente aumentada nos tratamentos com o produto. O aumento da atividade da enzima pode estar
ligado à capacidade do Acibenzolar-S-metil (ASM) em ativar mecanismo de defesa da planta. Essa
indução anteciparia prováveis reações bioquímicas de defesa que só seriam ativadas, por exemplo, com
o ataque de um patógeno. O aumento da atividade da quitinase seria resultante da adaptação das células
da planta frente a condições adversas que geram estresse (Gaspar et al., 1985), no caso a aplicação do
indutor. Com isso, a planta provavelmente estaria em condições de mostrar resistência contra
patógenos aos quais normalmente seria suscetível.
As folhas menos desenvolvidas de ambos os clones também apresentaram um
aumento de atividade das enzimas quando as plantas foram tratadas previamente com o composto
Acibenzolar-S-metil (ASM) e posteriormente inoculadas com o patógeno. Esse aumento foi mais
expressivo na plantas do clone VR evidenciando que esse mecanismo foi acionado, apresentando maior
expressão a partir do desafio com o patógeno em plantas pré-condicionadas pelo efeito do ASM. O pré-
condicionamento é um importante componente da resistência sistêmica induzida e está associado ao
aumento da capacidade para uma rápida e efetiva ativação das respostas de defesa celular, as quais são
induzidas somente após o contato com o patógeno desafiante (Conrath; 2002). Quando a planta é
induzida pela presença de um elicitor, são perceptíveis alterações em seu metabolismo. Porém, quando
comparada à uma planta induzida com o mesmo elicitor e posteriormente desafiada com um patógeno,
nota-se que as alterações no metabolismo são mais intensas do que na planta apenas desafiada ou
apenas induzida, evidenciando-se que a planta está mais capacitada para responder a presença do
patógeno (Kuhn, 2007).
AGRADECIMENTOS
Ao Professor Dr. Sérgio Florentino Pascholati por permitir a realização desse
trabalho no Laboratório de Fisiologia e Bioquímica de plantas do setor de fitopatologia da ESALQ-
USP , à toda a equipe do laboratório em especial ao Dr Odair José Kuhn
76
À equipe de melhoramento da Votorantim Celulose e Papel (VCP), por
cederem material contrastante para este estudo, nas pessoas de Cezar Bonine, Donizete C.
Dias.
À FAPESP (Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo) pelo
apoio financeiro.
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79
CAPÍTULO III
EFEITO DE ACIBENZOLAR-S-METIL (ASM) E Saccharomyces cerevisiae NA ATIVAÇÃO
DE DEFESAS DO EUCALIPTO CONTRA A FERRUGEM
80
Efeito de Acibenzolar-S-metil (ASM) e Saccharomyces cerevisiae na ativação de defesas
do eucalipto contra a ferrugem
Leonardo P. Boava
1,3
1
Departamento de Produção Vegetal, Setor de Defesa Fitossanitária, Faculdade de Ciências
Agronômicas, Universidade Estadual Paulista “Julio de Mesquita Filho”, CEP 18603-970, CP 237,
Botucatu, SP,
3
Bolsita FAPESP, e-mail: [email protected].br
RESUMO
Visando elucidar os mecanismos de defesa do eucalipto contra o fungo Puccinia psidii, o
presente trabalho procurou avaliar o potencial dos indutores acibenzolar-S-metil e levedura
Saccharomyces cerevisiae na ativação de mecanismos de resistência. No presente trabalho
procurou-se correlacionar a aplicação de indutores da resistência com possíveis alterações
bioquímicas na planta, dosadas a partir da atividade das enzimas: quitinase, peroxidase,
fenilalanina amônia-liase e polifenoloxidase. Para isso, mudas de eucalipto híbridos das
espécies Eucalyptus grandis x Eucalyptus urophylla (Urograndis) denominados VR
(classificado como suscetível à ferrugem) e C0 (classificado como moderadamente resistente)
foram mantidas em casa de vegetação e aplicou-se os tratamentos com Acibenzolar-S-metil e
S. cerevisiae cinco dias antes da inoculação com o patógeno. A inoculação foi realizada na
face dorsal das folhas e a avaliação se deu 15 dias após a inoculação estimando-se por meio de
uma escala de notas (S0, S1, S2 e S3). Os tratamentos com Acibenzolar-S-metil (ASM) e S.
cerevisiae (S.c) se mostraram eficiente para o controle da ferrugem em plantas de ambos os
clones, que tiveram ausência de pústulas (imunidade). Foi verificada diferença de atividade
81
enzimática, com exceção da polifenoloxidase, em ambos os clones, seja pela ação do
patógeno, pelo efeito dos indutores de resistência ou ainda pela interação entre indutor-
patógeno, coincidindo com a redução da doença proporcionada pela ação dos indutores.
ABSTRACT
Effect of ASM and Saccharomyces cerevisiae in deffence activtion of eucalypit against rust
For the elucidation of the mechanisms of protection against fungus Puccinia psidii of
Eucalyptus, this study aimed to evaluate the potential of inducing acibenzolar-S-methyl and
yeast Saccharomyces cerevisiae in activation of mechanisms of resistance. In this study sought
to correlate the implementation of inducers of resistance with possible biochemical
expressions of defense of the plant, determined from the activity of enzymes: chitinase,
peroxidase, phenylalanine ammonia-lyase and polyphenoloxidase. For this, plant of two
different clones were kept in a greenhouse and applied to the treatments with Acibenzolar-S-
methyl and S. cerevisiae five days before the inoculation with the pathogen. The inoculation
was held back in the face of the leaves and evaluation was given 15 days after inoculation
estimated by means of a scale of notes (S0, S1, S2 and S3). The treatments with Acibenzolar-
S-methyl (ASM) and S. cerevisiae (Sc) were effective for control of rust in plants of both
clones, which had no pustules (immunity). It was observed difference in enzyme activity in
both clones, either by the action of the pathogen, the effect of inducing or even of resistance
by the interaction between pathogen-inducer, coinciding with the reduction of the disease
provided by the action of inducers.
INTRODUÇÃO
O eucalipto é suscetível a uma série de doenças, na sua maioria, provocada por
82
fungos patogênicos desde a fase de viveiro até os plantios adultos (Alfenas et al., 2001).
Dentre essas, a ferrugem causada por Puccinia psidii Winter tem sido limitante ao
estabelecimento de novos plantios e à condução por rebrota de materiais suscetíveis, após o
corte raso. Além disso, esta doença tem ocorrido em mini-jardins clonais destinados à
produção de brotos para miniestaquia e tem afetado a multiplicação clonal do eucalipto
(Teixeira, 2004).
A resistência genética é apontada como a melhor opção para o controle da
ferrugem do eucalipto, devido à existência de variabilidade no grau de resistência, tanto entre
espécies de Eucalyptus, quanto entre procedências de uma mesma espécie (Santos et al.,
2001). A resistência pode também ser ativada em plantas suscetíveis após a infecção
localizada por fitopatógenos ou em resposta ao tratamento com agentes bióticos ou abióticos,
sendo conhecida como ‘indução de resistência’ (Hammerschmidt & Dann 1997). O fenômeno
da resistência induzida tem sido demonstrado em muitas espécies de plantas, onde vários
estudos têm revelado a expressão de respostas de defesa contra vários e importantes agentes
causais de doença vegetal, tais como vírus, fungos, bactérias e nematóides, cujos diferentes
mecanismos têm sido estimulados por várias substâncias (Sobrinho, 2004).
Dentre os indutores abióticos, o ácido salicílico (AS) e seus análogos funcionais
são os mais importantes (Silva, 2007). O composto sintético éster-S-metil do ácido benzo-
(1,2,3)-tiadiazol-7-carbotióico (acibenzolar-S-metil, ASM, BTH, CGA, Bion®, Actigard®),
derivado do benzotiadiazol, é um análogo funcional do ácido salicílico e tem sido amplamente
estudado como agente indutor da RSA (Mazaro, 2007). Os agentes bióticos, sejam estes
microrganismos viáveis ou inativados, podem também ativar mecanismos de defesa da planta
(Stangarlin & Pascholati, 1994). Segundo Cardoso Filho (2003) inúmeros trabalhos
83
evidenciam o potencial da levedura S. cerevisiae na ativação de mecanismos de resistência e
na proteção de plantas contra fitopatógenos. Recentemente, o grupo de pesquisas do
Laboratório de Fisiologia e Bioquímica Fitopatológica do setor de Fitopatologia da Escola
Superior de Agricultura Luiz de Queiróz (ESALQ) demonstrou o efeito de suspensões de
células dessa levedura (linhagem de panificação), bem como do filtrado dessas suspensões na
proteção de plantas contra doenças.
A indução de resistência ocorre pela ativação de genes que codificam uma série de
proteínas relacionadas à patogenese (proteínas-RP) e enzimas envolvidas na síntese de
fitoalexinas e lignina. A detecção e quantificação da expressão dessas enzimas seria uma das
formas de separar o efeito indutor de resistência do efeito tóxico direto de determinado
produto (Resende et al., 2002). As proteínas-RP englobam famílias de proteínas com
características variadas (quitinases, β-1,3-glucanases, lisozimas, peroxidases, osmotinas,
dentre outras), mas com o fato em comum de estarem todas relacionadas aos processos de
defesa durante a patogênese, apresentando dessa forma, potencial para serem exploradas nos
programas de indução de proteção em plantas (Van Loon & Van Strien, 1999). As enzimas
fenilalanina amônia-liase (FAL) e polifenoloxidase estão envolvidas na rota biossintética dos
fenilpropanóides, sendo que a FAL é produtora de compostos fenólicos como flavonóides,
fitoalexinas, ligninas e derivados do ácido benzóico (Sarma et al., 1998).
Diante do exposto, no presente trabalho procurou-se avaliar o potencial dos
indutores acibenzolar-S-metil e levedura S. cerevisiae quanto à capacidade em alterar o
metabolismo das plantas de eucalipto, com base na atividade das enzimas quitinase,
peroxidase, fenilalanina amônia-liase e polifenoloxidase, visando a redução dos sintomas
causados por P. psidii.
84
MATERIAL E MÉTODOS
Cultivo e manutenção das plantas e tratamento com indutores de resistência
O cultivo e manutenção das plantas de eucalipto se deram no setor de Defesa
Fitossanitária do Departamento de Produção Vegetal da Faculdade de Ciências Agronômicas
da UNESP-Botucatu. As mudas foram mantidas em vasos em casa de vegetação climatizada.
Foram utilizadas mudas de eucalipto híbridos das espécies E. grandis x E. urophylla
(Urograndis) denominados VR (classificado como suscetível à ferrugem) e C0 (classificado
como moderadamente resistente), gentilmente cedidas pela empresa Votorantim Celulose e
Papel.
O composto Acibenzolar-S-metil (ASM), produto comercial Bion® 500WG
(Syngenta) foi utilizado no experimento na dosagem de 50 ppm. A levedura S. cerevisiae foi
obtida a partir fermento biológico Fleischmann® submetido a quatro autoclavagens de uma
hora cada a 121 ºC a 1 atm e entre os intervalos de autoclavagem, a suspensão foi retirada e
resfriada em gelo por 20 minutos. Após as quatro autoclavagens a suspensão ficou em
descanso por 2 horas para decantação, onde foi utilizado o sobrenadante. A aplicação nas
plantas foi efetuada na dose de 200 mg/L.
Obtenção e manutenção do patógeno e método de inoculação
A obtenção do inóculo consistiu na coleta de uredósporos de P. psidii de plantas
de eucalipto infectadas naturalmente no campo. A partir dessa coleta foi preparado uma
suspensão de 5 x 10
4
esporos/ mL, em água destilada contendo Tween 80 (0,05%). O método
de inoculação consistiu na aplicação da suspensão na face dorsal das folhas com o auxílio de
uma bomba de vácuo. Em seguida, as plantas foram mantidas em câmara de crescimento
85
regulada para 21ºC, fotoperíodo de 12 horas e com alta umidade relativa. A inoculação se deu
cinco dias após os tratamentos com os indutores de resistência (Acibenzolar-S-metil e S.
cerevisiae).
A avaliação da doença foi realizada 15 dias após a inoculação, estimando-se por
meio de uma escala de notas o tipo de reação à infecção, proposta por Aparecido et al. (2003),
onde: S0 =imunidade ou reação de hipersensibilidade; S1 = poucas pústulas sem
esporulação; S2 = muitas pústulas, com esporulação; e S3 = muitas pústulas com grande
esporulação.
Determinação das atividades enzimáticas
As análises bioquímicas foram realizadas no laboratório de Fisiologia do
Parasitismo no setor de Fitopatologia da Escola Superior de Agricultura Luiz de Queiroz –
USP. As amostras foram representadas pelo 1º par de folhas (com tamanho equivalente a 1/5
do desenvolvimento foliar total) e pelo 2º par de folhas (2/5 do desenvolvimento total). Após a
coleta as amostras foram mantidas em congelador –18 ºC para posterior obtenção do extrato
protéico.
Amostras de 0,5 g de folhas correspondendo a cada tratamento foram maceradas
em almofariz com nitrogênio líquido e em seguida homogeneizadas em 4 mL de tampão
acetato de sódio 0,1 M pH 5,0, contendo 2,56 g de Polivinilpirrolidona (PVP) e
Phenylmethanesulfonyl fluoride 5mM (PMSF). Os extratos foram centrifugados a 20.000 g
por 25 minutos a 4 ºC e o sobrenadante foi transferido para tubos Eppendorf e armazenado a -
20°C. Os sobrenadantes foram utilizados para se avaliar as atividades de quitinase, peroxidase,
fenilalanina amônia-liase e polifenoloxidases.
86
A atividade da quitinase foi avaliada através da liberação de fragmentos solúveis
de “CM-chitin-RBV”, a partir de quitina carboximetilada marcada com remazol brilhante
violeta (CM-Quitin-RBV 4 mg mL
-1
, Loewe Biochemica GmbH) (Stangarlin, et al., 2000).
Para tanto, 200 µL do extrato protéico foi misturado com 600 µL do mesmo tampão de
extração e 200 µL de “CM-chitin-RBV” (2,0 mg mL
-1
). Após incubação por 20 minutos a
40°C, a reação foi paralisada com a adição de 200 µL de solução de HCl 1 M, seguida de
resfriamento em gelo e centrifugação a 10.000g / 5 min. A absorbância a 550 nm do
sobrenadante foi determinada tendo-se tampão de extração na cubeta de referência. Os
resultados foram expressos em unidades de absorbância.min
-1
.mg proteína
-1
, descontando-se
os valores de absorbância do controle (800 µL de tampão de extração + 200 µL de “CM-
chitin-RBV”). A concentração de proteínas expressa em termos de equivalentes µg de
albumina de soro bovino (ASB) em um mL de amostra (µg proteína mL
-1
), foi determinada
utilizando-se curva padrão de concentrações de ASB variando de 0 a 20 µg mL
-1
.
A atividade da peroxidase foi determinada a 30 ºC, através de método
espectrofotométrico direto, pela medida da conversão do guaiacol em tetraguaiacol a 470 nm
(Luzzo & Pascholati, 1999). A mistura da reação continha 0,10 mL do extrato protéico e 2,9
mL de solução com 250 µL de guaiacol e 306 µL de peróxido de hidrogênio em 100 mL de
tampão fosfato 0,01M (pH 6,0). A cubeta de referência continha 3 mL da solução com 250 µL
de guaiacol e 306 µL de peróxido de hidrogênio em 100 mL de tampão fosfato 0,01 M (pH
6,0). A atividade da peroxidase foi expressa como atividade específica (unidades de
absorbância.min
-1
.mg proteína
-1
). A concentração de proteínas expressa em termos de
equivalentes µg de albumina de soro bovino (ASB) em um mL de amostra (µg proteína mL
-1
),
87
foi determinada utilizando-se curva padrão de concentrações de ASB variando de 0 a 20 µg
mL
-1
.
A atividade da FAL foi determinada pela quantificação colorimétrica do ácido
trans-cinâmico liberado do substrato fenilalanina (Umesha, 2006). A mistura da reação,
incubada a 40°C por 2 h, continha 100µl do extrato protéico, 400µL do tampão Tris HCl 25
mM (pH 8,8) e 500µl de L-fenilalanina (50 mM em tampão Tris HCl 25 mM, pH 8,8). A
absorbância das amostras foi determinada a 290 nm, contra tampão de extração, sendo
subtraído de cada amostra o valor do controle. O controle correspondia a uma mistura
contendo 100 µL do extrato protéico e 900 µL de tampão Tris HCl 25 mM, pH 8,8. As leituras
de absorbância foram plotadas em curva padrão para o ácido trans-cinâmico e a atividade
enzimática expressa em µg de ácido trans-cinâmico min
-1
mg
-1
de proteína.
A atividade das polifenoloxidases foi determinada usando-se a metodologia de
Duangmal e Apenten (1999). O ensaio consistiu em mensurar a oxidação do catecol
convertido em quinona, reação esta mediada pela enzima em estudo. O substrato foi composto
por catecol, na concentração de 20 mM, dissolvido em tampão fosfato de sódio 100 mM (pH
6,8). A reação se desenvolveu em 900 µL do substrato e 100 µL do extrato enzimático. A
temperatura de reação foi de 30 ºC e as leituras em espectrofotômetro, a 420 nm, foram
realizadas de forma direta por um período de 2 min. O diferencial entre a última e a primeira
leitura foi utilizado para a determinação da atividade. Os resultados foram expressos em
absorbância.min
-1
.mg de proteína
-1
.
Delineamento experimental
O experimento foi organizado em delineamento inteiramente casualizado com
cinco repetições onde cada planta representou uma repetição. Foi disposto em esquema
88
fatorial 2x2x3x5, considerando 2 clones (C0 e VR); inoculados e não inoculados com P.
psidii; pulverizados com acibenzolar-S-metil (ASM), S.cerevisiae (S.c) e água destilada (H
2
O)
e imediatamente após a inoculação se iniciou a coleta das folhas em 5 diferentes períodos: 0,
24, 48, 72 e 96 horas. Para as análises estatísticas os dados foram submetidos à análise de
variância e as médias comparadas pelo teste de Tukey a 5 % de probabilidade.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Efeito dos indutores na severidade da doença
De acordo com a escala de notas utilizada para severidade da doença como
observado na Tabela 1, os clones C0 e VR quando não receberam tratamento prévio com
algum indutor de resistência foram classificados com S1 (poucas pústulas sem esporulação) e
S2 (muitas pústulas, com esporulação). Entretanto, os tratamentos com Acibenzolar-S-metil e
S. cerevisiae (S.c) se mostraram eficientes para o controle da ferrugem em plantas de ambos
os clones, de modo que foram classificados, quanto ao tipo de infecção como S0 (ausência de
pústulas, imunidade).
Tabela 1. Efeito de indutores de resistência bióticos e abióticos na redução do sintomas de
Puccinia psidii em eucalipto baseados na escala de notas proposta por Aparecido et al. (2003)
Tratamento Escala de notas
Tratamento Escala de notas
C0 + H
2
O S0 VR + H
2
O S0
C0 + ASM S0 VR + ASM S0
C0 + S.c S0 VR + S.c S0
C0 + H
2
O + Inóculo S1 VR + H
2
O + Inóculo S2
C0 + ASM + Inóculo S0 VR + ASM + Inóculo S0
C0 + S.c + Inóculo S0 VR + S.c + Inóculo S0
S0 =imunidade ou reação de hipersensibilidade; S1 = poucas pústulas sem esporulação; S2 = muitas
pústulas, com esporulação; e S3 = muitas pústulas com grande esporulação.
89
O ASM tem se mostrado experimentalmente capaz de induzir resistência contra
algumas doenças onde medidas eficazes de controle são raras ou mesmo ausentes, como a
podridão radicular em tomateiro causada por Fuarium oxysporum f. sp radicis-iycopersici
(Benhamou & Belanger, 1998) e a virose provocada pelo Cucumber mosaic vírus. Guzzo et al.
(2001) verificaram o efeito acibenzolar-S-metil em cafeeiro suscetível a Hemileia vastatrix e
observaram indução de proteção nas plantas. Os mesmos autores observaram ainda, pela
microscopia de fluorescência, que o ASM aplicado in vivo não interfere na germinação dos
esporos e na formação de apressórios de H. vastatrix, concluindo assim, que o ASM não
possui ação antimicrobiana direta aos patógenos, mas induz a expressão de genes de
resistência para a formação de compostos que impedem ou dificultam o estabelecimento ou
desenvolvimento destes patógenos.
Diversos trabalhos têm demonstrado o efeito de suspensões de células de S.
cerevisiae (linhagem de panificação), bem como do filtrado dessas suspensões na proteção de
plantas de sorgo contra Colletotrichum graminicola e Exserohilum turcicum, em milho contra
C.graminicola e E. turcicum, maracujá contra Xanthomonas campestris pv. Passifora,
eucalipto contra Botrytis cinerea (Lopez, 1991; Piccinin, 1995; Silva & Pascholati, 1992;
Stangarlin & Pascholati, 1994; Piccinin, 1995 citados por Cardoso Filho).
É muito provável que a resistência induzida por S. cerevisiae esteja ligada à
presença de determinados carboidratos e glicoproteínas presentes em sua parede celular
(Wulff & Pascholati, 1999). De acordo com Labanca (2002), a parede da levedura é formada
basicamente por polissacarídeos e proteínas, com a seguinte distribuição aproximada em peso:
50 % β−1,3-glucanas, 10 % β−1,6- glucanas, 40 % manoproteínas e 1-3 % quitina. A
autoclavagem de células de S. cerevisiae leva a liberação de diversos polímeros e oligômeros
90
com massa molecular, carga e conteúdo de açúcares e de proteínas bastante variavel. Wulff &
Pascholati (1999) extraíram desse modo uma glicoproteína carregada negativamente (em pH
8), cuja porção protéica é importante para a indução da síntese de fitoalexinas em mesocótilos
de sorgo.
Atividade de quitinase
Constatou-se que as plantas dos clones C0 e VR (moderada resistência e
suscetível, respectivamente) pulverizadas com H
2
0 destilada apresentaram estabilidade nos
níveis de atividade da quitinase no decorrer do tempo, e após inoculação apresentaram
aumento na atividade da enzima (Figura 1A e B). No entanto, esse incremento se diferiu na
intensidade e no tempo de expressão comparando os dois clones. O clone VR apresentou
elevação de atividade da enzima 24 horas após inoculação (Figura 1B) e o clone C0 só
manifestou esse incremento 48 horas após inoculação, mas de uma forma mais intensa (Figura
1A). De acordo com Ryals (1996) citado por Junqueira (2003) a rapidez e/ou intensidade com
que a reação de defesa ocorre, determinará resistência ou não ao patógeno. Assim durante o
curso da interação entre os clones e o patógeno, efetivas isomorfas dessas enzimas podem não
ser produzidas em quantidade suficiente, tempo e local correto, o que justificaria a maior
severidade da doença nas plantas do clone VR em relação ao clone C0 que não receberam
tratamento com indutor de resistência. Estudos recentes têm mostrado que a super expressão
de genes de quitinases em plantas, tem aumentado a resistência dessas plantas a patógenos,
uma vez que a enzima catalisa a hidrólise dos polímeros quitina, componentes principais das
paredes celular dos fungos, podendo apresentar atividade antimicrobiana (Van Loon
et.al.2006).
91
Figura 1. Atividade de quitinase a partir de tecido foliar de Eucalyptus dos clones C0 (moderada
resistência) e VR (suscetível) inoculados e não inoculados com Puccinia psidii; pulverizados com
acibenzolar-S-metil (ASM), Saccharomyces cerevisiae (S.c) e água destilada (H
2
O) 5 dias antes
inoculação, coletados em 5 períodos: 0, 24, 48, 72 e 96 horas após inoculação.
As plantas de ambos os clones que receberam tratamento com Acibenzolar-
S-metil ou com S. cerevisiae apresentaram diferença significativa na expressão de atividade da
enzima, quando comparado com a testemunha pulverizada com água mesmo nas plantas não
inoculadas (Figura 1A e B). Na figura 1B é possível observar também que as plantas do clone
VR que receberam tratamento com indutor S. cerevisiae (S.c) apresentaram níveis de atividade
significativamente mais acentuados, comparado a todos as outras situações independentemente
da presença ou ausência do patógeno.
O aumento da atividade da enzima pode estar ligado à capacidade do
Acibenzolar-S-metil e da levedura S. cerevisiae em ativar mecanismo de defesa da planta.
Essa indução anteciparia prováveis reações bioquímicas de defesa que só seriam ativadas, por
exemplo, com o ataque de um patógeno. O aumento da atividade da quitinase seria resultante
da adaptação das células da planta frente a condições adversas que geram estresse (Gaspar et
92
al., 1985), no caso a aplicação dos indutores. Com isso, a planta provavelmente estaria em
condições de mostrar resistência contra patógenos aos quais normalmente seria suscetível.
Resultados semelhantes na elevação de atividade de quitinase em
decorrência da aplicação de ASM ou de S. cerevisiae têm sido evidenciados por muitos
autores. Guzzo (2004) demonstrou elevação da atividade da enzima em plantas de café que
foram tratadas com ASM a partir do segundo dia da aplicação, e o aumento local e sistêmico
de atividade pode ser observado até 35 dias após a aplicação do indutor. Roncatto, (1997)
evidenciaram que as preparações da levedura S. cerevisiae, tratadas termicamente ou não,
ocasionaram aumentos na atividade dessas enzimas hidrolíticas presentes em folhas de milho.
Em relação às plantas tratadas com os indutores e posteriormente desafiadas
pelo patógeno foi possível observar que as plantas do clone C0 previamente tratadas com
Acibenzolar-S-metil ou S. cerevisiae não apresentaram diferenças significativas nos níveis de
expressão de atividade de quitinase após a inoculação com P. psidii (Figura 1A). O indutor S.
cerevisiae quando aplicado nas plantas do clone VR também não induziu diferença de
expressão na atividade da enzima após inoculação (Figura 1B). No entanto as plantas
previamente tratadas com Acibenzolar-S-metil apresentaram elevação de atividade 72 horas
após inoculação com o patógeno (Figura 1B), evidenciando que esse mecanismo foi acionado,
apresentando um aumento de expressão a partir do desafio com o patógeno em plantas pré-
condicionadas pelo efeito do Acibenzolar-S-metil. Segundo Kuhn (2007), quando comparada
uma planta induzida com um elicitor e posteriormente desafiada com um patógeno, nota-se
que as alterações no metabolismo são mais intensas do que na planta apenas desafiada ou
apenas induzida, evidenciando-se que a planta está mais capacitada para responder à presença
do patógeno.
93
Atividade de peroxidase
As plantas do clone C0 como as do clone VR, pulverizadas com H
2
0
destilada, apresentaram estabilidade nos níveis de atividade da peroxidase no decorrer do
tempo, e com a presença do pátogeno ocorreu aumento significativo 48 horas após inoculação
(Figura 2A e B), no entanto esse aumento de atividade foi mais expressivo no clone VR
(Figura 2B). Contrariando os resultados apresentados por Shimono et al. (1991) onde após a
infecção, a atividade da peroxidase foi maior em cultivares de milho resistente a infecção por
Exserohilun turcicum, do que naqueles suscetíveis.
Figura 2. Atividade de peroxidase a partir de tecido foliar de Eucalyptus dos clones C0
(moderadamente resistente) e VR (suscetível), inoculados e não inoculados com Puccinia psidii;
pulverizados com acibenzolar-S-metil (ASM), Saccharomyces cerevisiae (S.c) e água destilada (H
2
O)
5 dias antes da inoculação, coletados em 5 períodos: 0, 24, 48, 72 e 96 horas após inoculação.
Segundo Asada (1992) a atividade dessa enzima pode ser alterada em função
da resistência ou suscetibilidade de diferentes hospedeiros e na presença de diferentes
patógenos. A enzima peroxidase está diretamente ligada à lignificação dos tecidos a qual
polimeriza lignina a partir da oxidação de hidroxilas de grupos fenólicos (Pascholati & Leite
1995). Os mesmos autores argumentam que a lignificação e seus precursores tóxicos exercem
94
papel importante na relação de resistência em plantas de batata infectadas por P. infestans. A
atividade da peroxidase, na maioria dos casos, aumenta sob condições de diferentes situações
de estresse, provocada por ferimentos, infecções por fungos, salinidade, déficit hídrico, déficit
nutricional, dentre outros, levando também ao acréscimo na produção de lignina e etileno
(Schallenberger 1994). Contudo, a resposta na atividade da referida enzima pode apresentar-se
variável, o que de certa forma fomenta a discussão quanto ao seu real papel nos processos de
resistência (Moerschbacher 1992). Sua ação poderia ainda ocorrer indiretamente, através de
produtos de sua atividade, tóxicos ao patógeno ou induzindo a formação de barreiras
estruturais.
Na comparação entre os tratamentos com os indutores, as plantas dos clones
C0 e VR, apresentaram um aumento significativo na atividade da enzima, comparada com a
testemunha pulverizada com água (Figura 2A e B), no entanto esse aumento de atividade foi
mais acentuado no clone VR principalmente quando tratadas com S. cerevisiae (Figura 2B).
Roncatto e Pascolatti (1998) sugeriram que as alterações ocorridas com a peroxidase em
plantas de milho e sorgo em resposta ao tratamento com S. cerevisiae (S.c), refletiam o
“reconhecimento” da levedura pelas células vegetais, acarretando uma alteração do
metabolismo normal da planta. A indução da atividade de peroxidases, pelo Acibenzolar-S-
metil, foi também relatada por Cavalcanti (2000) em cacau contra Verticillium dahliae Kleb.
sendo detectada em um nível mais alto por período de tempo mais longo. O aumento da
atividade da peroxidase seria resultante da adaptação das células da planta frente a condições
adversas que geram estresse (Gaspar et al., 1985), no caso a aplicação dos indutores.
As plantas do clone C0 tratadas previamente com os indutores não
apresentaram diferença significativa de atividade após inoculação com o patógeno (Figura
95
2A), no entanto as plantas do clone VR previamente tratadas ASM demonstraram aumento
significativo na atividade da enzima 48 horas após inoculação (Figura 2B). No patossistema
cacau-Verticilium dahliae, Cavalcanti (2000) e Resende et al. (2002) também observaram
aumento na atividade da enzima peroxidase, destacando ser essa uma importante alteração
fisiológica no processo de resistência induzida, em resposta à pulverização de plântulas de
cacaueiro com Acibenzolar-S-metil. Segundo Fernandes (1998), a atividade peroxidásica a
partir da indução advém de uma seqüência de eventos e sinais, partindo de uma isoforma pré-
existente, catalizando o último passo enzimático da biossíntese da lignina, servindo como
barreira ao patógeno, ou mesmo interagindo com a quitina da parede celular de muitos fungos
atuando conjuntamente com β-1,3-glucanase.
O produto da autoclavagem da levedura S. cerevisiae obtido a partir de fermento
biológico Fleischmann® quando aplicado nas plantas do clone VR, induziu um aumento
significativo na atividade peroxidase em plantas inoculadas e não inoculadas com o fungo P.
psidii (Figura 2B). Diferentemente da ação do Acibenzolar-S-metil esse incremento não foi
maior após inoculação com o fungo, ou seja, o aumento do nível de quitinase nas plantas
tratadas com a levedura foi em decorrência apenas de sua ação. Fato esse que pode estar
diretamente ligado com a eficácia da levedura na proteção do eucalipto contra o patógeno
(tabela 1).
Atividade de fenilalanina amônia-liase (FAL)
A atividade de Fenilalanina amônia-liase nas plantas do clone C0
pulverizado com H
2
0 destilada apresentou estabilidade no decorrer do tempo, e com a
presença do pátogeno houve um aumento significativo 72 horas após inoculação (Figura 3A).
As plantas do clone VR pulverizadas com H
2
0 também apresentaram aumento significativo da
96
enzima após inoculação (Figura 3B), no entanto esse incremento foi menos expressivo que os
apresentados pelas plantas do clone C0 e se deu 48 horas após inoculação. Sendo assim a
rapidez e/ou intensidade com que a reação de defesa ocorreu, podem ter sido determinantes na
resistência ao patógeno, visto que de acordo com os resultados obtidos notou-se que as plantas
do clone C0 sem tratamento prévio com indutores apresentaram menor severidade da doença
do que as plantas do clone VR segundo a escala de notas utilizada (Tabela 1).
Figura 3. Atividade de Fenilalanina amônia-liase (FAL) do tecido foliar de Eucalyptus dos clones C0
(moderadamente resistente) e VR (suscetível) inoculados e não inoculados com Puccinia psidii;
pulverizados com acibenzolar-S-metil (ASM), Saccharomyces cerevisiae (S.c) e água destilada (H
2
O)
5 dias antes da inoculação e coletados em 5 épocas: 0, 24, 48, 72 e 96 horas após inoculação.
Esse aumento da atividade da enzima pode ser considerado um indicador de
resistência, desde que FAL é absolutamente requerida para a síntese de fenóis, compostos que
estão associados à expressão de resistência. Para Nakazawa et al. (2001), a atividade da FAL
está relacionada com a resistência de plantas a patógenos, notadamente, por estar envolvida no
primeiro passo da síntese dos fenilpropanóides, com participação de fenilalanina e sua
conversão em ácido-transcinâmico, catalisada pela FAL, resultando em compostos como
97
fitoalexinas e, principalmente, lignina, que confere maior resistência à parede celular das
plantas aos patógenos.
Em todas as situações as plantas do clone C0 apresentaram níveis de
atividade da enzima inferiores às plantas do clone VR (Figura 3A e B), podendo inferir uma
grande importância na genética do material na expressão de atividade da enzima, uma vez que,
mesmo as plantas do clone VR não inoculadas e não tratadas com os indutores apresentaram
atividade da enzima superior àqueles verificados pelas plantas do clone C0. Tal fato poderia
estar relacionado com diferentes mecanismos de defesa estruturais existente entre os clones ou
devido a importância de outras rotas metabólicas envolvidas no processo de defesa da planta.
Campos et al. (2003) induziram resistência em quatro cultivares de feijoeiro com ASM e um
isolado de C. lindemuthianum avirulento e observaram que o fungo e o Acibenzolar-S-metil
induziram a atividade da FAL, porém, a magnitude dessa atividade variou em função do
cultivar.
O tratamento com Acibenzolar-S-metil ou com S. cerevisiae em plantas do
clone C0 não induziram aumento significativo na expressão da enzima, comparada com a
testemunha aspergida com água, já o clone VR, os indutores aumentaram significativamente a
atividade da enzima entre 0 e 72 horas quando comparados com as plantas testemunhas
pulverizada com água, vale ressaltar que o tratamento com os indutores ocorreu cinco dias
antes a inoculação. O aumento da atividade da enzima seria resultante da adaptação das
células da planta frente a condições adversas que geram estresse no caso a aplicação dos
indutores. Com isso, a planta provavelmente estaria em condições de mostrar resistência
contra patógenos aos quais normalmente seria suscetível.
98
As plantas do clone C0, que receberam tratamento prévio com indutor
Acibenzolar-S-metil, não apresentaram diferença significativa da atividade da enzima após
inoculação com o patógeno (Figura 3A), entretanto, as plantas do clone VR, que receberam o
tratamento com Acibenzolar-S-metil, apresentaram elevação da atividade da enzima 72 horas
após inoculação (Figura 3B), evidenciando que esse mecanismo foi acionado, apresentando
um aumento de expressão a partir do desafio com o patógeno nas plantas pré-condicionadas
pelo efeito do ASM, justificando a eficácia do produto no controle da doença (Tabela 1). Em
caupi [Vigna unguiculata (L.) Walp.], plântulas tratadas com ASM e inoculadas com
Colletotrichum destructivum também apresentaram aumento da resistência, comprovada com
o aumento da enzima FAL (Latunde-Dada & Lucas, 2001).
O efeito da levedura nas plantas do clone C0 apesar de não elevar a
expressão da enzima em função do seu tratamento, quando inoculadas com o patógeno pode se
notar aumento da atividade da enzima 48 horas após inoculação evidenciando também o efeito
do pré-condicionamento das plantas pela levedura e a conseqüente eficiência no controle da
doença. Sobre as plantas do clone VR tratadas com S. cerevisiae é possível observar na figura
3B que até 48 horas após inoculação as plantas mantinham níveis elevados na atividade da
enzima, comparado as plantas não tratadas, e após esse período a atividade da enzima tendeu a
diminuir. Gallao et al. (2007) verificando a atividade da Fenilalanina amônia-liase em folhas
de Citrus aurantium elicitadas com quitina observaram um aumento nas primeiras horas após
elicitação e subseqüente diminuição de atividade. Segundo os autores tal fato está
correlacionado com a capacidade da cultura em rapidamente restaurar seu metabolismo
normal.
99
Atividade de Polifenoloxidases
O comportamento da atividade de polifenoloxidase não foi alterado quando
comparado as plantas dos diferentes clones, quando receberam tratamento com os indutores de
resistência ou quando foram desafiadas pelo patógeno. Além de apresentar níveis muitos
baixos da atividade da enzima (Figura 4 A e B).
Figura 9. Atividade de polifenoloxidase do tecido foliar de Eucalyptus dos clones C0 (moderadamente
resistente) e VR (suscetível) inoculados e não inoculados com Puccinia psidii; pulverizados com
acibenzolar-S-metil (ASM), Saccharomyces cerevisiae (S.c) e água destilada (H
2
O) e coleta das folhas
realizadas em 5 diferentes épocas: 0, 24, 48, 72 e 96 horas.
Segundo Nojosa et al. (2003) verificando relação de fenóis solúveis totais e
da atividade de enzimas polifenoloxidases em tecidos de clones de cacau, observou que a
relação entre a atividade das enzimas oxidativas apresentou uma correlação negativa
significativa com os níveis de fenóis em quase todos os clones estudados. Ao que parece, sob
altas concentrações de compostos fenólicos, as enzimas que oxidam compostos fenólicos,
como polifenoloxidase, são inibidas em folhas. Uma inibição de polifenoloxidases por fenóis
também já foi encontrada por Rivero et al. (2001) em plantas de tomateiro (Lycopersicon
esculentum Mill) e melancia [Citrullus lanatus (Thumb.) Matsum & Nakai], quando o alto
A
B
100
nível de fenóis foi correlacionado com uma alta atividade de fenilalanina amônia-liase, enzima
chave na rota de fenóis na maioria das dicotiledôneas. Em cacau, uma relação inversa também
foi encontrada por Ndoumou et al. (1997) em tecidos de embriogênese somática, entre fenóis e
enzimas oxidativas (peroxidase e IAA-oxidases), sendo que uma isoenzima de peroxidase
ácida desapareceu dos tecidos com níveis altos de fenóis.
AGRADECIMENTOS
Ao Professor Dr. Sérgio Florentino Pascholati por permitir a realização desse
trabalho no Laboratório de Fisiologia e Bioquímica de plantas do setor de fitopatologia da
ESALQ-USP , à toda a equipe do laboratório em especial ao Dr Odair José Kuhn.
A equipe de melhoramento da Votorantim Celulose e Papel (VCP), por
cederem material contrastante para este estudo, nas pessoas de Cezar Bonine, Donizete C.
Dias.
À FAPESP (Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo) pelo
apoio financeiro.
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106
CAPÍTULO IV
EUCALYPTUS ESTS INVOLVED IN THE MECHANISMS AGAINST PLANT
PATHOGEN AND ENVIRONMENTAL STRESSES
107
Eucalyptus ESTs involved in the mechanisms against plant pathogen and environmental
stresses
Daniel Dias Rosa
1,3
; Karina Carnielli Zamprogno
2
; Leonardo Pires Boava
1
; Celso Luis
Marino
2
; Edson Luiz Furtado
1,3
1
Universidade Estadual Paulista - UNESP, Faculdade de Ciências Agronômicas, Botucatu-SP.
2
UNESP, Instituto de Biociências, Botucatu-SP
3
Bolsista do CNPq-Brasil. E-mail:
Autor para correspondência; Edson Luiz Furtado
Data de chegada: / / Aceito para publicação / /
ABSTRACT
Rosa, D.D.; Zamprogno, K.C.; Boava, L.P.; Marino, C.L.; Furtado, E.L. Eucalyptus ESTs
involved in the mechanisms against plant pathogen and environmental stresses. Summa
Phytopathologica, v. , p. - , 2008.
The eucalypt plantation has very high economical importance in Brazil and it is attacking with
many pathogens and environment stress conditions. Disease resistance and survival at
unfavorable environmental conditions revealed that eucalypt have evolved highly efficient
defense systems. Here we showed the results of data mining from the Eucalyptus ESTs
Genome Project (FORESTs). Utilizing the sequencing of the expressed sequence tags (ESTs)
derived from induced and not induced cDNAs libraries by stress agents, we identified EST
clusters similar to others plant-signaling molecules, phytoalexins and lignin biosynthesis
108
pathway, PR-proteins and putative genes corresponding to enzymes involved in detoxification
of reactive oxygen species. We also present general considerations about the mechanisms of
Eucalyptus defense against biotic and non biotic stress. This information is of extreme value
for future eucalypt breeding programs aiming to develop plants with enhanced resistance
against pathogens.
Additional keywords: Eucalyptus, resistance, plant-signaling, phytoalexins, PR-proteins.
RESUMO
Rosa, D.D.; Zamprogno, K.C.; Boava, L.P.; Marino, C.L.; Furtado, E.L. ESTs de Eucalyptus
envolvidos nos mecanismos contra fitopatógenos e estresse ambiental. Summa
Phytopathologica, v. , p. - , 2006.
A cultura do Eucalipto tem importância econômica muito elevada no Brasil e vem sofrendo
inúmeros ataques de patógenos, além de essa cultura estar sujeita aos inúmeros estresses
ambientais. A resistência e sobrevivência desta cultura frente às circunstâncias ambientais
desfavoráveis, e ataques de pragas e doenças, revelaram que o Eucalipto apresenta um sistema
de defesa evoluído e altamente eficiente. Aqui nós apresentamos os resultados obtidos no
projeto do genoma de ESTs do Eucalyptus (FORESTs). Agrupando as seqüências de cDNA
expressas (ESTs) obtidas pelo projeto, montou-se grupos (contigs) de seqüências similares
provenientes de cada biblioteca de cDNA induzidas e não induzidas por agentes estressantes,
identificou-se os grupos de seqüências de cDNA similares a outras moléculas já conhecidas,
como moléculas de plantas-sinalizadoras, fitoalexinas e vias de biossíntese de lignina,
109
proteínas-RP e supostos genes correspondendo às enzimas envolvidas na detoxificação de
moléculas de oxigênio reativo. Apresentamos também, considerações gerais sobre os
mecanismos de defesa do Eucalipto contra o estresse biótico e abiótico. Estas informações são
de extraordinário valor para a produção de Eucalipto e ajudarão no futuro a direcionar
programas de melhoramento do Eucalipto, visando assim obter plantas com melhor resistência
contra os patógenos e estresses ambientais.
Palavras-chave adicionais: Eucalyptus, resistência, fitoalexinas, Proteínas-RP.
Several defense mechanisms against pathogens attack are known in plants. Each of these
are controlled by different genes set, some of them have been almost identified. These
mechanisms can be divided in two groups: those depending of interactions between host and
pathogen (resistance genes) and others related to unspecific response to pathogens,
phytoalexins, PR-proteins, etc. (12).
Currently genes belongs to the system gene-to-gene, proposed by Flor (15), can be
divided in two groups, one group has a coding region for leucine-rich repeats (LRRs) and
other group has a coding region for a nucleotide binding site (NBS). These domains can be
involved in the mechanism recognition plant - pathogen and these proteins recognizing
extracellular products of avirulence (avr) genes, received as elicitor by the host (5).
The class of resistance genes characterized by presenting LRRs and also function of
protein-quinase, with absence of NBS, for example, the gene LR10 of wheat resistance to
Puccinia (14).
110
Nowadays, the expressed sequence tag (EST) sequencing approach allows for the
analysis of expressed genes and has accelerating the gene discovery. The establishment of
putative functions for ESTs utilizing comparisons with the genes and sequences whose
functions are already known is very important for the knowledge of the defense mechanisms.
These hypotheses can be tested on functional genomics procedures and those results can help
the plant breeding process. ESTs can also be used as useful probes for mapping studies (19).
The objective of this study was to identify ESTs in the Eucalyptus EST Bank (FOREST)
with high similarity to genes involved in plant defense mechanism against biotic and not biotic
stress (Figure 1). The understanding of the genetic basis of these defense mechanisms will
help the genetic improvement of those traits on Eucalyptus.
MATERIAL AND METHODS
The Eucalyptus genome project (FORESTS) (16) was developed for a consortium of
four Brazilian Forest Companies and the State of São Paulo Research Foundation (FAPESP).
It was accomplished with the participation of 20 laboratories from São Paulo network, called
AEG (https://forests.esalq.usp.br), obtaining 123.889 reads. All sequence used during this
work is derived from cDNA libraries specific to different tissues, organs or conditions of
growth from the species E. grandis, E. globulus, E. saligna and E. urophylla. The libraries
were constituted of wood (WD), bark (BK), floral buttons (FB), leaves (LV), seedlings (SL),
stem (ST), root (RT), and callus (CL) (https://forests.esalq.usp.br/Librariesinfo.html).
The search for DNA sequence that coding for proteins and enzymes involved in the
Eucalyptus defense mechanism against biotic and abiotic stresses was carried out using a
111
BLAST-P program with a threshold value of E-value < 10
–46
(3). Each sequence that coding
these proteins used for analysis was from National Center for Biotechnology Information
(NCBI) and then, the protein was analyzed by using the TBLASTN program (3) against
Eucalyptus EST clusters. Once the corresponding putative protein of the Eucalyptus cluster
was obtained it was again aligned by using the BLASTX program to NCBI in order to check
the sequences.
RESULTS AND DISCUSSION
Cell surface communications and signaling system
The cell wall plant is the first line of defense against any potential pathogen and
environments chances. Spores of many pathogenic fungi produce, or are coated with adhesive
material assisting attachment to the plant surface. Upon germination a germ tube grows across
the plant surface, often in response to specific environmental and to specific location. A
variety of strategies are employed to enter the host inducing the elaboration of a specialized
infection cell, the appressorium.
The cuticular layer is composed of surface waxes and a hydroxy fatty acid polymer
named cutin (26). The monomeric components of cutin fall into 2 broad families of
compounds consisting C16 and C18 chains. Uchiana & Okuyama (50) identified two major
cutin components wich induced appressorium formation at nanomolar concentrations and
fungous behavior studies after alterations in the carbon chain in the fatty acid.
112
Sweigard et al. (49), suggested that many fungus secrets cutinases in the leaf surface, and
the extracellular cutinase may promote the release of cutin monomers wich may binol to a
specific subcellular receptor resulting in the induction of apressorium formation.
A number of conserved pathways are involved into transducing signals from the
environment within cells. These are controlled by such molecules as cyclic nucleotides, Ca
++
,
and phophoinositides. The extacellular signals are traduced via protein-protein interactions
(35). Reversible covalent modifications of proteins by phosphorylation mediated by the
opposing reactions of kinases and phosphatases , as well as the analogous exchanges of
phosphate potentials on GTP-binding proteins play essential roles in signal transduction. The
receptors in the membrane and responsible for the pathogen-host specificity are similar to
kinase receptor-like proteins (RPK) found in animals and plants (28).The RPK proteins have
three main domains: a) extracelullar domain leucine-rich repeats (LRR) and leucine zipper
motif (LZ) involved in the recognition and protein-protein interaction; b) transmembrane
domain (hydrophobic) related to the membrane binding and finally, c) intracelullar domain
with catalic function (kinase). The resistant genes are classified into classes. The first class
corresponds to the genes encoding for proteins LRR and nucleotide binding site (NBS) with or
without LZ region. The NBS-LRR type comprises genes containing both a 5’ terminal NBS
and 3’ terminal LRRs of various lengths.
In our search at the FOREST database we found genes homologous to LRR and NBS-
LRR type resistant protein, HV1LRR1 and HV1LRR2, disease resistance protein RPM1,
RPR1h protein, LRK1 protein, and L-zip+NBS+LRR protein (Table 1). The second class,
with a kinase and/or a LRR domain, is represented by Cf-2, Cf-4, Cf-9, Xa-21, and Pto genes,
which possess a 5’ LRRs and/or a serine/threonine kinase domain (4). Evidence supports that
113
the highly variable LRRs in both classes of R genes might have a role in pathogen recognition,
providing a structural backbone that has been modified over evolution in response to variation
in Avr gene products from the pathogens (39). Those enzymes are easily localized because
they have transmembrane domain. The proteins encoded by Pto, Xa21, Fen genes have a
catalytic site (kinase) in the C-terminal protein portion, which is probably involved in the
protein phosphorilation during the signal transduction. In the FOREST databank there are EST
sequences similar to kinases and/or a LRR domain-resistant gene type and, the EST clusters
are similar to receptor-like serine/threonine kinase of A. thaliana, MAP3K protein kinases of
A. thaliana and Oryza sativa (Table 1).
Table 1. Eucalyptus putative homologue biotic and abiotic resistance genes at FORESTs
database.
Putative genes Specie FORESTs number
NCBI
Acession
E-value
LRR receptor-like protein kinase Arabidopsis thaliana EGSBRT3120G04.g 7269703 2e
-
79
Hv1LRR1 Hordeum vulgare EGCECL1282E03.g 5669778 6e
-
34
Hv1LRR2 Hordeum vulgare EGCECL1282E03.g 5669782 6e
-
38
RPM1 homolog disease resistance
protein
Sorghum bicolor EGCECL1282E03.g 4680207 2e
-37
RPR1h Oryza sativa EGCECL1282E03.g 4519938 3e
-
34
LRK1 protein Oryza sativa EGEPCL2204D05.g 22093632 3e
-
80
L-zip+NBS+LRR Oryza sativa EGSBSL7030E12.g 4519258 4e
-
27
Receptor-like Serine/threonine kinases Arabidopsis thaliana EGSBSL7030E12.g 4519258 4e
-
27
MAP3K epsilon kinase protein Arabidopsis thaliana EGJERT3184A07.g 15231910 1e
-
119
MAPK mitogen-activated protein
kinase
Oryza sativa EGABRT3014F10.g 7328530 2e
-14
Ser/Tre kinase Ctr 1 protein Arabidopsis thaliana EGBGBK1051A06.g Q05609 0.0
Kinase protein Arabidopsis thaliana EGABLV2279DA01.g 22474449 1e
-
160
Salicylic acid (SA) in plants is involved in various physiological processes like stomata
closure, flower induction, and heat production, and plays a central role in defense against
pathogen attack. To date, plant genes known to be induced by SA are not primary response
114
genes, but rather they respond later and are dependent on new protein synthesis. This class of
genes is exemplified by the pathogenesis-related (PR) proteins, such as PR-1, PR-2, PR-3, PR-
4 and PR-5 (53). The biosynthetic pathway of SA appears to begin with the conversion of
phenylalanine to transcinnamic acid (t-CA) catalyzed by phenylalanine ammonia-lyase (PAL).
The plant hormone ethylene is synthesized during several stages of the development,
including germination of seeds and ripening, and as a response to infection by pathogens and
wounding by herbivores (48). Ethylene plays an important role in plant defense to pathogens
attacks as one of the systemic signal transducers (1). It activates the transcription of defense-
related genes of PR proteins (48), which are widely distributed in plants and are toxic to
invading pathogens. The biosynthesis of ethylene is largely understood. 1-amino-
cyclopropane-1-carboxylic acid (ACC) synthase and ACC oxidase have a main role in the
ethylene synthesis. ACC synthase catalyzes the conversion of S-adenosyl-L-methionine
(SAM) to (ACC), and ACC oxidase converts ACC to ethylene, carbon dioxide, and cyanide
(13). EST clusters related to ACC synthase and ACC oxidase enzymes involved in the
biosynthesis of ethylene are present in the eucalypt database (Table 2).
Ecker (13) proposed the following model to ethylene response pathway: ethylene may
bind to and activate the receptor, which together may inactivate the CTR1, that codes for a
product that acts as a negative regulator of the ethylene response pathway allowing the product
of gene EIN2 activate a number of terminal ethylene regulated genes, possibly acting on genes
like EIN3 and ERFs. The enzyme coded by CTR1 has kinase functions, which is important to
its functions in the phosphorilation cascade in the ethylene signaling events. A homologous to
CTR1 of Arabidopsis thaliana is present in FORESTs database (Table 2). Predict amino acids
of eucalypt similar to the ERFs (EREBPs) were founded in the databank.
115
Table 2. Eucalyptus putative homologues genes involved with plant signaling molecules at
FORESTs database.
Putative genes Specie FORESTs number
NCBI
acession
E-value
Lipoxygenase Arabidopsis thaliana EGEZST7215D11.g 20259579 2e
-
116
Lipoxygenase Solanum tuberosum EGEZLV1202D12.g 6689343 1e
-
125
Allene oxide synthase Lycopersicon esculentum EGACLV3272B08.g 7677378 3e
-67
Allene oxide cyclase Lycopersicon esculentum EGQHRT6038H05.g 15797681 2e
-68
1-aminocyclopropane-1-
carboxylate synthase
Triticum aestivum EGCERT6019F05.g 1173638 9e
-81
1-aminocyclopropane-1-
carboxylate synthase
Oryza sativa EGCERT6019F05.g 6006360 4e
-81
1-aminocyclopropane-1-
carboxylate oxidase
Oryza sativa EGJFSL4202G05.g 23495703 2e
-42
1-aminocyclopropane-1-
carboxylate oxidase
Phyllostachys edulis EGABLV2282G06.g 12862572 1e
-100
Ethylene-response protein – ERS Oryza sativa EGSBRT6210E05.g 15054446 2e
-
101
Serine/Threonine-Protein Kinase
CTR1
Rosa (hybrid cultivar) EGBGBK1051A06.g
AAK40361 0.0
Transcription factor EREBP1 Oryza sativa EGABLV2285C11.g 6689918 3e
-
46
The ethylene responsive defense genes are the PR-2 (glucanases) and PR-3, PR-4, PR-8
and PR-11 (chitinases). The substrates of those two types of enzymes, chitinases and
glucanases, suggest that they act against cell walls of fungi and bacteria (51). The data suggest
that the eucalypt ethylene biosynthesis and response is very similar to other plants.
Ethylene is a volatile vegetable hormone of multiple functions in the plant. It is known
that the same the sintetisa as much as answer to wounds as to the infection for pathogens (7).
Kieber et al. (24) they examined a million plants of A. thaliana, they observed that
among them there were mutants that were not affected for the ethylen, stopping reacting to the
presence of the same, or of the you nourish that you/they inhibit him/it, tends his/her altered
growth. These mutants don't possess the gene that in the capacity to command the production
116
of the enzyme protein - kinase, that adds a protein phosphatic group. The gene protein-kinase
is similar with the relative ones to present enzymes in plants, animals and men, what suggests
the existence of an universal link in the way that the alive beings interpret their messengers.
Jasmonic acid (JA) and its methyl ester (MeJA) derivative is ubiquitously occurring
plant compound. Additionally, to its participation as a plant growth regulator, JA has an
important role in plant defense, acting as an intracellular signal transducer and inducer of
defense gene transcription (6). JA is synthesized from oxylipin pathway and is induced by
abiotic and biotic stress, as wounding, osmotic stress, pathogen attack and elicitor treatment.
JA action is thought to be mediated by a still unknown JA-receptor. Pathogenesis-related
proteins PR-2 (β-glucanases), PR-3 and PR-4 (chitinases), PR-5 (thaumatin-like proteins), PR-
6 (proteinase inhibitor), PR-10 (ribosomal inhibitor proteins), HRGP (extensions) and
cyclophylins are defensive proteins known to be jasmonate-induced. The first compound
metabolized in the JA biosynthesis is α-linolenic acid (LA). The major source of LA is the
plastid membranes and it is substrate for the lipoxygenase (LOX). In the FOREST database
we found highly similar LOX to other dicotyledonous LOX such as A. thaliana and potato
(Table 2). LOX were expressed in most sugarcane tissues, although in higher amounts only in
roots or plants infected with bacteria (28).
The next step in the JA biosynthesis is the formation of allene oxide, through allene
oxide synthase (AOS) and allene oxide cyclase (AOA) enzymes. AOS enzyme is present with
high homology to AOS from tomato. AOS and AOA homologous enzymes were identified in
the FOREST database (Table 2).
117
Detoxification genes and species reactivate of oxygen
With reference to the Glutathione S-transferase (GST) enzyme, McGonigle et al. (31)
concluded that a high hydrogen peroxide level induced a great increase in the enzyme’s
mRNA in soybean cells. Most GSTs found in plants were isolated as a result of their induction
by several treatments, including indole acetic acid, ethylene, herbicides, infection by
pathogens, intoxication by heavy metals, and high temperatures (31). Several GSTs were
identified in a variety of plant species, and their complete sequence of primary amino acids
was determined. The identification of homologous genes associated with GST was performed
by comparing the information available from the NCBI and GeneBank database with
information available from the sequences database of the FORESTs project. With regard to the
GST enzyme, clusters EGRFST2233B11.g was selected, since they showed the best e-values
as well as the best identity when compared with different organisms (table 3).
Table 3. Eucalyptus putative homologues genes involved with detoxification of reactive
oxygen species (ROS).
Putative genes Specie FORESTs number
NCBI
acession
E-value
Superoxide dismutase [Mn] Zea mays EGEZSL8253H05.g 7548002 5e
-
96
Superoxide dismutase (Cu-Zn) Raphanus sativus EGFFB1039E04.b AAL07333 2e
-
101
Superoxide dismutase[cu-zn] 4A -
cytosolic
Zea mays EGCCST6227F01.g 6018746 6e
-74
Glutathione S-transferase GST 10 Glycine max EGBMLV2260C10.g AAG34813 3e
-
102
Glutathione S-transferase GST Arabidopsis thaliana EGRFST2233B11.g 11967658 6e
-
76
Glutathione S-transferase GST Capsicum annuum EGRFST2233B11.g 24061761 3e
-
83
Putative phospholipid hydroperoxide
glutathione
Oryza sativa EGSBRT3123D01.g gi|11545686 4e
-70
Peroxidase Arabidopsis thaliana EGEQST2200H09.g AAN31858 5e
-
120
GPX12Hv -glutathione peroxidase-like
protein
Hordeum vulgare EGRFST6257E07.g gi|6179600 4e
-79
Glutathione peroxidase Arabidopsis thaliana EGRFST6270H10.g gi|20465389 3e
-
69
Catalase
Pisum sativum
Zea mays
EGEQLV1201F10.g
EGEZLV3268A11.g
CSPM
168437
0.0
1e
-134
118
According to Scandalios (42), the evolutive origin of Superoxide Dismutase (SODs) is
not clear; however, the available information suggests that the three existing types of SOD are
included in two phylogenetic families, Cu/ZnSOD and Fe-/MnSODs. FeSODs and MnSODs
are closely related since they share a high degree of identity between their amino acid
sequences and homologous structures, but are not related to Cu/ZnSODs.
When a plant enters senescence, the activities of all SODs enzymes and other oxygen-
detoxifying enzymes (such as catalase and glutathione reductase) decrease. Such observations
are consistent with the proposition that free radicals play an important role in senescence and
in the process of aging. The identification of homologous genes associated with Fe/SOD was
performed by comparing the information available from the NCBI and GenBank database with
information available from the sequences database of the FORESTs project. Clusters
EGEQRT3100G07.g and EGEZRT3005F09.g were selected, since they showed the best e-
values as well as the best identity when compared with different organisms (table 3). The
similarity between sequences from clusters and the selected organisms can be observed in the
species Arabidopsis thaliana and Raphanus sativus.
Peroxidase can be taken as a biochemical stress marker resulting from both biotic and
abiotic factors. According to Gaspar et al. (17), peroxidase is the key molecule in the
adaptation of plants, or some of their organs individually, to environmental changes. The
identification of homologous genes associated with peroxidase was performed by comparing
the information available from the NCBI and GeneBank database with information available
from the sequences database of the FORESTs project. Cluster EGEQST2200H09.g was
selected, since they showed the best e-values as well as the best identity when compared with
A. thaliana (table 3).
119
Catalase (CAT) is a metaloprotein in the group of porphyrins, found in all aerobic
organisms, which catalyzes hydrogen peroxide dismutation converting it into water and
molecular oxygen. The identification of homologous genes associated with CAT was
performed by comparing the information available from the NCBI and GeneBank database
with information available from the sequences database of the FORESTs project. Cluster
EGEQLV1201F10.g was selected, since they showed the best e-values as well as the best
identity when compared with Pisum sativum (table 3).
Phytoalexins
Phytoalexins are low molecular weight antimicrobial compounds, produced by plants as
a result of stress or infection. They are localized around the site of infection and the speed and
magnitude wich they are produced and accumulate appear to determine disease reaction in
some plants interactions with fungi and bacteria (27). The plants produce phytoalexins
according its botany families, but is predominating the isoflavonoids, sesquiterpenoids,
polyactylens and furano-sequiterpenoids. There are 102 phytoalexins reported in the
Leguminosae: 84 are isoflavonoids; 8 are furanoactylenes, 4 stibelbenes, 3 are benzofurans, 2
are chromones and 1 is flavones. Three basic pathways for the biossinthesis of secondary
metabolites in plants are the acetate-malonate, acetate-mevalonate and shikimate (27).
The synthesis of phytoalexins in plants is bound to the general metabolism of the
phenylpropanoids, including enzymes related to other processes, such as phenylalanine
ammonia-lyase (PAL), caffeic acid 3-O-methyltransferase (COMT) and 4-coumarate CoA
ligase (4CL). The process also has specific enzymes such as, chalcone synthase (CHS),
120
chalcone isomerase (CHI), isoflavanone synthase (IFS), isoflavone reductase (IFR). The PAL
is the first and a key regulatory enzyme in the metabolic pathway of phenylpropanoids, which
catalyzes the deamination of L-phenylalanine to produce trans-cinnamic acid, leading to the
formation of wide range of secondary metabolites (43). In the FOREST database we found
clusters similar to PAL enzyme (Table 4) and enzymes COMT, 4CL, CHS, CHI, IFS, IFR
involved in phytoalexin biosynthetic pathway.
Table 4. Eucalyptus putative homologues genes involved with secondary compounds pathway
Putative genes Specie FORESTs number
NCBI
acession
E-value
Phenylalanine ammonia-lyase Nicotiana tabacum EGJFCL4208B06.g 2564057 1e
-
143
Phenylalanine ammonia-lyase - PAL Eucalyptus spp. EGCCSL5065E07.g 5690433 2e
-
122
Enol piruvil shiquimate 3 fosfato sintase Brassica napus EGEQRT3102H01.g P17688 0.0
Phenylalanine ammonia-lyase - PAL Eucalyptus spp. EGCCSL5065E07.g 5690433 4e
-
122
Quercetina 3-O-methyltransferase Arabidopsis thaliana EGEQRT3104D08.g Q9FK25 2e
-
168
Caffeic acid 3-O-Methyltransferase Zea mays EGEQRT3104D08.g Q0659 3e
-
120
4-coumarate—CoA ligase Glicine max EGEQRT3001EO7.b AAC97600 0.0
cinnamyl-Co-A reductase Pinus taeda EGEQRT5001C10.g AAL47684 5e
-
132
cinnamyl-alcohol dehydrogenase Medicago sativa EGEQFB1004E07.g AAL34329 6e
-
126
4-hydroxycinnamic acid--CoA ligase Sorghum bicolor EGJFWD2321C04.g 763046 2e
-
71
Chalcone synthase 6 Sorghum bicolor EGJEWD2308B10.g 5305917 3e
-
115
Naringenin,2-oxoglutarato 3-dioxygenase Vitis vinifera EGEQRT3300C12.b P41090 3e
-
167
Naringenin-chalcone synthase Oryza sativa EGJEWD2308B10.g gi|19881608 2e
-
47
Flavone 3 beta-hydroxilase Solanum tuberosum EGEQRT3300C12.b AAM48289 1e
-
169
Flavone hydroxilase Arabidopsis thaliana EGACRT6209G11.g 6979554 1e
-
147
Isoflavone reductase (IFR)) Zea mays EGCCRT6013E03.g gi|1205986 2e
-
86
Pathogenesis-related proteins (PR-Proteins)
PR-1: is the most abundant of PR proteins, is induced in infected plant tissue (2). The
PR-1 genes are expressed by various external stimuli like pathogens, wounding, chemical
elicitors, hormones, UV light (9) and salicylic acid. PR-1 proteins contain a hydrophobic N-
terminal region of 30 amino acids that probably have function as a signal peptide for
translocation to the endoplasmatic reticulum (38). The FOREST database has sequences
121
(EGSBRT3122B04.g and EGBMCL1291G04.g) similar to PR-1 of C. annum and a precursor
protein of maize respectively (Table 5).
Table 5. Eucalyptus putative homologues genes involved with PR-proteins.
Putative genes Specie FORESTs number
NCBI
acession
E-value
PR-1
Capsicum annuum
EGSBRT3122B04.g gi|13560653 4e
-
58
PR-1 Maize PRMS precursor
Zea mays
EGBMCL1291G04.g gi|130940 5e
-
41
PR-2 Beta-1,3-glucanase
Prunus persicae
EGEQST2201A05.g gi|16903144 2e
-
142
PR-2 Beta-1,3-glucanase
Hevea brasiliensis
EGEQRT5001D04.g gi|4469115 3e
-
107
PR-2 Beta-1,3-glucanase precursor
Arabidopsis thaliana
EGBFSL1080G08.g gi|21554264 4e
-
79
Beta-glucan binding protein (GEBP)
Phaseolus vulgaris
EGEZST2207F06.g gi|6625560 8e
-
90
Beta-glucan binding protein (GEBP)
Glycine max
EGEZST2207F06.g gi|5019452 1e
-
102
PR-3- chitinase
Vitis vinifera
EGEQFB1001F10.g gi|10880381 1e
-
121
PR-3 Class I Gossypium hirsutum EGMCST2239D03.g gi|4205741|
1e
-
142
PR-3 Class I Gossypium hirsutum EGEQRT5001D01.g gi|4205741|
1e
-
158
PR-3 Class I Arabis holboelli EGEQRT5002A03.g gi|7798632|
2e
-
102
PR-3 Class IIa Gossypium hirsutum EGEQFB1001F10.g gi|7435351|
1e
-
124
PR-3 Class IV Daucus carota EGEZST7212C03.g gi|7435371|
3e
-
120
PR-3 Class V Nicotiana tabacum EGEQRT3300H12.g gi|505267
3e
-
142
PR-4 Class I Vitis vinifera EGMCST2237F11.g gi|351147|
5e
-
137
PR-5 thaumatin-like protein
Helianthus annuus
EGEQRT5002e12.g gi|20385169 4e
-
103
PR-5 thaumatin-like protein
Zea mays
EGJECL2209E10.g gi|444344 1e
-
35
PR-6 cysteine proteinase inhibitor
Glycine max
EGEQFB1001F12.g gi|1944319 2e
-
81
PR-6 cysteine proteinase inhibitor
Oryza sativa
EGEQST6002D02.g gi|6721552 1e
-
78
PR-7 aspartic proteinase Nepenthes alata EGEZST2207H05.g gi|12231174 0.0
PR-7 oryzasin
Oryza sativa
EGEZSL4258G07.g gi|2130068 1e
-
114
PR-7 Aspartic Proteinase
Oryza sativa
EGABFB1099H07.g gi|82458 1e
-
102
PR-8 Class III (chitinase)
Oryza sativa
EGJELV2266H01.g gi|27817953 1e
-
106
PR-8 Class III Fragaria x Ananassa EGJELV2266H01.g gi|4530607| 4e
-
98
PR-9 Peroxidase, putative
Arabidopsis thaliana
EGEQRT3201E09.g gi|15239370 3e
-
139
PR-9 Peroxidases
Oryza sativa
EGEQCL1341G06.g gi|7242902 1e
-
102
PR-9 Peroxidases
Arabidopsis thaliana
EGEQCL1341G06.g gi|10177520 2e
-
106
PR-9 Peroxidases
Triticum aestivum
EGEZFB1045A11.g gi|2117619 6e
-
81
PR-10 Ribonuclease-like proteins
Castanea sativa
EGEQCL1200H04.g gi|16555781 1e
-
53
PR-10 Ribonuclease-like proteins
Vitis vinifera
EGEQSL1050E09.g gi|11182124 2e
-
46
PR-10 Ribonuclease-like proteints
Sorghum bicolor
EGEQCL1500C08.g gi|1408222 7e
-
20
PR-2: The PR-2 can act direct or indirect against pathogens: directly by degrading cell
wall glucan of the pathogen, the major wall component of many pathogenic fungi (55);
indirectly by promoting the release of oligosaccharides from cell walls of the pathogen, which
can act as elicitors of defense reactions (8). PR-2 corresponds to β-1,3-glucanases (glucan
122
endo β-1,3 glucosidases) able to catalyze endo-type hydrolytic cleavage of β-1,3-D-glucosidic
linkages in β-1,3- glucans. The β-1,3-glucanases (βGlu) proteins are abundant and they are
implicated in plant defense mechanism functions as well as in several physiological processes
of healthy plants.
PR-2 proteins are classified in three different structural classes (32):
a) Class I βGlu I comprise basic protein localized in the cell vacuole and which
accumulates at higher concentrations in the roots and in lower levels in mature leaves of
healthy tobacco plants.
b) Classes βGlu II and βGlu III are secreted into the extracelullar space.
We founded four clusters with high similarity, these clusters of the PR-2 or Beta-1,3-
glucanase family with similarity with proteins of the Fragaria X Ananassa, Prunus persica;
Hevea brasiliensis, and A. thaliana (Table 5).
PR-3, PR-4, PR-8, PR-11 (Chitinases): Chitinases are ubiquitous enzymes of bacteria,
fungi, animals and plants. They hidrolise the β-1,4-linkage between N-acetylglucosamine
residues of chitin, a structural polysaccharide of the cell wall of many fungi.
PR-3: Among the PR-3 subgroup there are many classes of chitinase and all of them
have chitin-binding domain (CBD). The family class is classified according to homologous
sequences and presence/absense of a particular binding site. Six classes of PR-3 have been
described based on amino acid sequence homology: classes I, II, IV, V, VI and VII (37). Most
chitinases class I have a C-terminal propeptide that is necessary for their targeting to the
vacuole. Were founded seven clusters with high similarity to PR-3 chitinases in the FORESTS
bank (Table 5). Four Eucalyptus clusters were similar to chitinase class I from Gossypium
hirsutum and Arabis holboelli, one cluster was similar to class IIa chitinase from Gossypium
123
hirsutum and other to class IV chitinase from Daucus carota. The class I chitinases are
associated with the biochemical defense of plants against potential pathogens (10). Class IIa
chitinase is pathogen-induced and according to Huynh et al. (20), this chitinase showed greater
antifungal activity when tested in vitro for antifungal activity against the growth of
Trichoderma reesei, Alternaria solani, and Fusarium oxysporum. Class IV chitinases also are
pathogen induced, as well as induced by salicylic acid treatment and they were expressed
during leaf senescence in Brassica napus (18).
Among the Eucalyptus clusters, three were analyzed according similarity to predict
amino acids to classes I, II and IV of PR-3 from dicots. Two clusters showed twenty-one
amino acids absence at N-terminal region what represents signal region, and they present stop
codon at C-terminal region. The predict amino acids of these clusters aligned to class I
chitinase from cotton at 75-78% of similarity. The predict amino acid sequences of these
Eucalyptus clusters contain cysteine-rich N-terminal domains with eight conserved cysteine
residues that are essential for chitin binding (45) or improving the chitin-hydrolyzing activity
of the chitinases (56). Another Eucalyptus cluster was similar to class IV chitinase with the
translational start site of the major open reading frame (ORF) and stop site. The nucleotide
sequence of cDNA encodes a predicted 274-amino acid protein containing 81% of conserved
amino acids for a Daucus carota class IV chitinase. This Eucalyptus cluster contains cysteine-
rich N-terminal domains, which is smaller due to deletions when compared with class I
chitinases. The Eucalyptus cluster also possessed the amino acid Tyr-182, what is the active
site of the predict class IV chitinase protein (20).
PR-4: This family is divided in two classes, I and II. The class I is represented by hevein,
a small anti fungal protein found in Hevea brasilienses (52). The hevein has three-dimension
124
structure is similar to domains of wheat-germ agglutinin and other cereal lectins. The
precursor of sequence is high homologous to cDNA encoding wound-induced protein (hence
called Win) of potato. The Eucalyptus database contains EST clusters homologous to class I
PR-4 from Vitis vinifera (Table 5). Two clusters showed above 76% similarity to grapevine
and barley seed basic protein, that present similarity with the proteins encoded by the wound-
induced potato and rubber tree genes.
PR-8 and PR-11: PR-8 includes chitinases belonging to class III, which in their turn
belong to the family 18 of glycosyl hydrolases (36). This pathogenesis related proteins were
first described as lysozymes and were isolated from Parthenocissus quinquifolia and
cucumber (34). They were also isolated from Hevea brasiliensis latex, as heveamine, a dual
lysozime and chitinase (21). In plants, PR-8 has been induced by pathogen infection in
Arabidopsis (44), tobacco (30), barley (23), and cucumber (30) and, by wounding in cucumber
(29).
The class III chitinase also can be induced by pathogen, such as example in Cucubita
maxima, in which Neurospora crassa induced the expression of class III chitinase (25).
Although the predict Eucalyptus proteins are full-length, they lack in their sequences the N-
terminal cysteine-rich domain, predominant characteristic in class III chitinases in plants (25).
The amino acid residues at the putative catalytic site of the plant class III chitinases, aspartic
acid and glutamic acid, are present at amino acid positions 129 and 149 (aspartic acid) and,
133 and 153 (glutamic acid) in the Eucalyptus predict proteins similar to class III chitinases
from rice and Hevea, respectively.
PR-11 was first isolated from tobacco (33) and it also belongs to family 18 of glycosyl
hydrolases (36). This protein is induced by pathogen infection and shares very little sequence
125
homology with PR-8 and other plant chitinases, even though it presents the basic protein
structure.
Were founded two clusters similar with chitinase class III (Table 5). One of this cluster
was 80% similar to class III chitinase from Oryza sativa and less similar to classes of PR-3
chitinases. Another Eucalyptus cluster showed 81% of similarity to class III chitinase from
Fragaria x Ananassa.
PR-5: PR-5 (thaumatin-like) proteins were first detected in acidic extracts of tobacco
leaves infected with Tobacco mosaic virus (TMV) (40). Because of their high similarity to the
sweet-tasting protein thaumatin from Thaumatococcus daniellii, these proteins were called
thaumatin-like proteins (TLPs). Osmotin and NP24 are also related to thaumatin and
accumulate in cultured tobacco and tomato cells, respectively, under osmotic stress. Since
these two proteins are induced by pathogen infection, they also belong to the PR-5 family
(47). It has been shown that TLPs have anti-fungal properties and are part of plants anti-fungal
defenses (54). In the FOREST database there is a putative PR-5 similar to PR-5 of maize and
sunflower (Table 5).
PR-6: proteinase inhibitors (PIs) were first isolated from seeds of Fabaceae, Poaceae,
and Solanaceae (41). These are highly stable defensive proteins of plant tissues that are both
developmentally regulated and induced in response to insect and pathogen attacks. PRs form
structurally unrelated subclasses, with various regulations, affecting all kinds of proteolytic
enzymes (serine-, cysteine-, aspartic-, and metallo-proteinases). Proteolytic enzymes are part
of the virulence factor of pathogenic organisms and their inhibition may limit the availability
of amino acid source for the invader among other effects. Proteinase inhibitor activity was
described in a number of plant-pathogen interactions including viruses, bacteria and fungi
126
(11). The induction of PR-proteins by insect or other mechanical injury have been described
for interaction with potato, maize, tomato, wheat and alfalfa. Five main factors can induce
systemic expression of PRs: systemin, abscissic acid (ABA) or JA. Recently, the tomato pin2
(proteinase inhibitor 2) gene was shown to be ABA-independent for systemin induction. In the
eucalypt EST database there are two clusters (EGJQFB1001F12.g and EGEQST6002D02.g)
similar with Glycine max and Oryza sativa, respectively.
PR-7: One member of this family is an alkaline proteinase (PR-P69) and isoforms
expressed in tomato after pathogen infection (22). Tobacco leaves were found to express,
constitutively, an extracellular aspartyl-proteinase of 36-40kDa that cleaves PR proteins under
acidic conditions, these proteinases may be involved in the regulation of PR proteins
deactivation and recycling. In the FOREST database there are sequences similar to putative
orizasin and aspartyl-protease precursor of rice (Table 5).
PR-9: Peroxidases are heme-containing glycoproteins that catalyze the oxidation by
H2O2 of a wide range of organic and inorganic substrates. They occur in numerous isoforms
in plants, animals, fungi and bacteria (17). In plants, peroxidases are key enzymes in the wall-
building processes like polysaccharide cross-linking, cross-linking of extensin
phenylpropanoid monomers and suberization. In addition, specific isoenzymes, similar to a
lignin-forming peroxidase, were recognized as PRs in tobacco and were classified as PR-9
(47).
Considering the wide variety of known peroxidase genes, our efforts concentrated on
finding EST clusters similar to driver sequences associated with pathogen interactions and
related situations. We have found putative homologues to PR-9 of rice, wheat and Arabidopsis
(Table 5) in the FOREST databank.
127
PR-10: The type member of this family is a protein isolated from parsley that shares
structural homology with ribonucleases (46). Proteins of the PR-10 family seem to be
ubiquitous in plants, with occurrence in several plant species. Allergens from birch pollen
grains, apple, and celery share sequence homologies with PR-10 family and are also included
in this class. PR-10 proteins accumulate around sites of pathogen entry and wounding,
phytohormones (cytokinins, ABA, and ethylene) also induce production of PR-10 transcripts.
PR-10 can be present in seeds, roots, stem, flowers and also in senescent leaves. In the
FOREST we found two clusters similar to PR-10: Vitis vinifera and Sorghum bicolor (Table
5). The expressed sequence tag (EST) sequencing approach allows for analysis of expressed
genes and has accelerated gene discovery. The establishment of putative functions through
comparisons of ESTs with genes and sequences, whose functions have already known for the
establishment of important defense mechanisms.
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135
CAPÍTULO V
EXPRESSÃO DIFERENCIAL (“MACROARRAY”) DE GENES RELACIONADOS AO
METABOLISMO DE DEFESA DE EUCALIPTO, QUANDO INOCULADOS COM
Puccinia psidii E TRATADOS COM ACIBENZOLAR-S-METIL
136
Expressão diferencial (“macroarray”) de genes relacionados ao metabolismo de defesa
de eucalipto, quando inoculados com Puccinia psidii e tratados com Acibenzolar-S-metil
Leonardo Pires Boava
1,2
1
Departamento de Produção Vegetal, Setor de Defesa Fitossanitária, Faculdade de Ciências
Agronômicas, Universidade Estadual Paulista “Julio de Mesquita Filho”, CEP 18603-970, CP 237,
Botucatu, SP
2
Bolsita FAPESP
E-mail: leoboav[email protected].br
Data de chegada: / / Aceito para publicação / /
RESUMO
Com o auxílio da técnica de ‘macroarray’ esse trabalho teve como objetivo verificar o padrão
de expressão de ESTs, provenientes de bibliotecas de cDNA construídas pelo projeto Genoma
do Eucalyptus - FORESTs (EUCALYPTUS GENOME SEQUENCING PROJECT
CONSORCIUM), relacionadas ao sistema de defesa do eucalipto quando inoculados com
Puccinia psidii ou quando tratados com indutor de resistência Acibenzolar-S-metil. Para isso,
mudas provenientes de clone suscetível e resistente a ferrugem (VR e C0, respectivamente)
receberam tratamentos com Acibenzolar-S-metil cinco dias antes da inoculação artificial com
o patógeno. Os resultados apontaram várias ESTs sendo induzidas, relacionadas ao
fortalecimento da parede celular, polarização celular, acúmulo de proteínas-RP, enzimas
envolvidas na rota dos fenilpropanóides, enzimas envolvidas na peroxidação de lipídios,
acúmulo de compostos fenólicos, entre outras. Em plantas do clone C0, as ESTs apenas se
mostraram induzidas ou reprimidas quando receberam o tratamento com Acibenzolar-S-metil
e não quando foram inoculadas. Nas plantas do clone VR diversas ESTs envolvidas em vários
137
mecanismos de defesa se mostraram induzidas quando as plantas foram desafiadas pelo
patógeno, quando apenas foram tratadas com o indutor de resistência ou em plantas
previamente tratadas com indutor, seguida de inoculação com o patógeno.
Palavras-chave adicionais: Eucalyptus, resistência, fitoalexinas, Proteínas-RP.
ABSTRACT
Diferential genes expression ("macroarray") related with metabolism of eucalyptus
defence, when inoculated with Puccinia psidii and treated with Acibenzolar-S-methyl
Using macroarray method this work aimed to check the pattern of expression of ESTs, from
cDNA libraries built by the Eucalyptus Genome Project - FORESTs (EUCALYPTUS
GENOME SEQUENCING PROJECT CONSORCIUM), related to the defence system of
eucalyptus when inoculated with Puccinia psidii or when treated with inducing resistance
Acibenzolar-S-methyl. For this seedlings susceptible and moderate resistant to rust (VR and
C0, respectively) received treatments with Acibenzolar-S-methyl five days before artificial
inoculation with the pathogen. The results showed several ESTs being expressed differently
related to the strengthening of the cell wall, cell polarization, accumulation of protein-RP,
enzymes involved in the route of phenylpropanoids, of enzymes involved in lipid
peroxidation, accumulation of phenolic compounds. In plants of the clone C0 the ESTs just
were expressed differently when receiving treatment with Acibenzolar-S-methyl and not when
they were inoculated. In plants of the clone VR several ESTs involved in various mechanisms
of defence were expressed differently when the plants have been challenged by the pathogen,
when only were treated with the induction of resistance in plants or treated with inductor
followed by inoculation with the pathogen.
138
Additional keywords: Eucalyptus, resistance, plant-signaling, phytoalexins, PR-proteins
INTRODUÇÃO
A área de florestas plantadas com eucalipto no Brasil em 2007 foi de 3.751.867 ha
representando um crescimento de 202.719 ha em relação ao ano de 2006. Desse total, o Estado
de Minas Gerais contribui com 1.105.961 ha, seguindo do estado de São Paulo com 813.372
ha e o estado da Bahia com 550.127 ha. (ABRAF, 2008). O sistema agroindustrial florestal, no
segmento de florestas plantadas (primário e processamento industrial) em 2007 gerou
aproximadamente 4,6 milhões de empregos incluindo diretos (656 mil) indiretos (1,8 milhões)
e empregos resultantes do efeito-renda (2,1 milhões).
Com o decorrer do tempo e o aumento das áreas plantadas a cultura do eucalipto
tem se mostrado suscetível à uma série de doenças, na sua maioria, provocada por fungos
patogênicos desde a fase de viveiro até os plantios adultos (Furtado et al., 2008). Dentre elas a
ferrugem causada por Puccinia psidii é uma das principais doenças do eucalipto no Brasil,
provocando prejuízos em viveiro e no campo (Ferreira, 1989). No país a doença constitui um
sério problema principalmente devido à ocorrência de condições ambientais favoráveis
praticamente durante todo o ano. Desde 1973 perdas econômicas preocupantes, de até 100%,
tem sido registradas sobre espécies do gênero Eucalyptus (Aparecido et al., 2003).
Os fungos causadores de ferrugem são patógenos biotróficos, ou seja, são
altamente especializados e utilizam o aparato celular do hospedeiro para poder se nutrir e se
reproduzir. Como resultado o patógeno realiza uma infecção estável e causa danos no
hospedeiro, porém não causa a sua morte (Mendgen & Hahn, 2002). Depois da germinação
dos uredósporos da ferrugem sobre a superfície foliar, a hifa penetra na planta pela superfície
íntegra e por aberturas estomatais. Uma vez dentro do tecido hospedeiro, um micélio
139
intercelular prolifera e produz o que se denomina haustório dentro das células da planta, o qual
tem uma função fundamental na absorção de nutrientes, nos tecidos das plantas.
(Kaiserslautern, 2005).
A resistência genética é apontada como a melhor opção para o controle da
ferrugem do eucalipto, devido à existência de variabilidade no grau de resistência, tanto entre
espécies de Eucalyptus, quanto entre procedências de uma mesma espécie Santos et al. (2001).
A resistência pode também ser ativada em plantas suscetíveis após a infecção localizada por
fitopatógenos ou em resposta ao tratamento com agentes bióticos ou abióticos, sendo
conhecida como ‘indução de resistência’ (Hammerschmidt & Dann 1997). O fenômeno da
resistência induzida tem sido demonstrado em muitas espécies de plantas, onde vários estudos
têm revelado a expressão de respostas de defesa contra vários e importantes agentes causais de
doença vegetal, tais como vírus, fungos, bactérias e nematóides, cujos diferentes mecanismos
têm sido estimulados por várias substâncias (Sobrinho, 2004).
Segundo Guzzo (2004) a resistência de plantas contra doenças está associada a um
conjunto de respostas de defesa ativadas pelo hospedeiro após o contato com agentes
patogênicos. A ativação dessas respostas em plantas depende da eficiência do hospedeiro em
reconhecer a presença de patógenos através de mecanismos de percepção e transdução de
sinais, que envolvem alterações transitórias no fluxo de íons através da membrana plasmática
e mudanças no estado de fosforilação de várias proteínas. Como conseqüência desse processo,
ocorre a ativação de fatores de transcrição no núcleo da célula vegetal, com a expressão
subseqüente de genes de defesa.
Vários projetos de estudo de transcriptoma (população de RNAs transcrita de um
determinado organismo), vêm sendo conduzidos em diferentes espécies vegetais,
140
denominados projetos EST (Expressed Sequence Tag ou Etiqueta de Seqüências Expressas),
cuja metodologia consiste em poderosa ferramenta para identificar genes expressos em
determinados tecidos e/ou tipos celulares de interesse (Nogueira, 2004). A partir destes
projetos várias metodologias foram desenvolvidas para a análise da expressão diferencial de
genes, como a técnica de macroaranjos (‘macroarray’), que são empregadas para identificar
genes envolvidos no processo de desenvolvimento das plantas e de resposta celular a uma
variedade de estímulos químicos ou físicos. A tecnologia de macroarranjos constitui-se em
uma poderosa ferramenta para o monitoramento simultâneo do perfil de expressão de muitos
genes permitindo uma análise em larga escala dos fenômenos biológicos que ocorrem em
células, tecidos ou organismos (Cox, 2001).
Com o auxílio da técnica de macroarranjo de cDNA esse trabalho teve como
objetivo verificar o perfil de expressão de 192 clones, provenientes de bibliotecas de cDNA
construídas pelo projeto Genoma do Eucalyptus - FORESTs (EUCALYPTUS GENOME
SEQUENCING PROJECT CONSORCIUM), relacionadas ao sistema de defesa do eucalipto
quando inoculados com P. psidii ou quando tratados com indutor de resistência Acibenzolar-
S-metil.
MATERIAL E MÉTODOS
Material vegetal, tratamento com indutor de resistência e inoculação
Foram utilizadas mudas clonais de sessenta dias, provenientes de híbridos das espécies
Eucalyptus grandis x Eucalyptus urophylla, denominadas ‘Urograndis’, gentilmente cedidas pela
empresa Votorantim Celulose e Papel. De acordo com testes de resistência ao fungo P. psidii
realizados no Setor de Defesa Fitossanitária/FCA/UNESP-Botucatu-SP, e através de índices de
141
incidência e severidade da doença proveniente de levantamentos realizados pela própria empresa,
foram selecionados dois clones de reação resistência/suscetibilidade conhecida. Sendo assim, o clone
C0 foi utilizado como padrão de resistência à ferrugem e o clone VR como padrão suscetibilidade.
O indutor de resistência Acibenzolar-S-metil (ASM), produto comercial Bion® 500WG
(Syngenta), derivado do benzotiadiazol, um análogo do ácido salicílico, que tem sido amplamente
estudado como agente indutor de resistência, foi pulverizado na dose de 50 ppm. Cinco dias após o
tratamento com o indutor as plantas foram inoculadas com P. psidii. A obtenção do inóculo
consistiu na coleta de uredósporos de P. psidii de plantas de eucalipto infectadas naturalmente
no campo, em seguida foi preparado uma suspensão de 5 x 10
4
esporos/ mL, em água destilada
contendo Tween 80 (0,05%). O método de inoculação consistiu na aplicação da suspensão na
face dorsal das folhas com o auxílio de uma bomba de vácuo, e em seguida as plantas foram
mantidas em câmara de crescimento à 21ºC, fotoperíodo de 12 horas e com alta umidade
relativa.
Delineamento experimental
O experimento foi organizado em delineamento inteiramente casualizado com 3
repetições. Os tratamentos foram dispostos em esquema fatorial 2x2x2x4, considerando dois 2
clones (C0 e VR); inoculados e não inoculados com P. psidii; pulverizados com acibenzolar-
S-metil e água destilada e imediatamente após a inoculação com o patógeno, se iniciou a
coleta das folhas em 4 diferentes períodos: 0, 24, 48 e 72 horas. No momento da coleta as
folhas foram envolvidas em papel alumínio e submersas em nitrogênio líquido, em seguida
foram mantidas à -80 º C.
142
Extração de RNA total
Para as extrações de RNA foi utilizado o método do tampão CTAB, descrito por
Chang et al. (1993), onde amostras de 0,5 g de folhas correspondendo a cada tratamento foram
maceradas em almofariz com nitrogênio líquido com 10 ml de tampão de extração. A
quantificação do RNA extraído foi feita em biofotômetro (NanoDrop-ND1000), na diluição de
1:10 (v/v). As medidas de absorbância foram realizadas nos comprimentos de onda de 260 e
280nm, utilizando-se água/DEPC para o ajuste inicial do aparelho (dados não apresentados).
Para verificar a integridade das amostras 2 µL de RNA total de cada amostra foi seco em
bomba á vácuo e re-suspendido em 18,0 µL de uma mistura composta por tampão de amostra,
brometo de etídeo (10 mg/ mL) a água-DEPC. Esta mistura foi posteriormente aquecida em
banho-maria a 65
o
C por 5 minutos antes da sua aplicação em gel de agarose 1,5% (p/v)
contendo 6,7% de formaldeído (v/v). O gel foi submetido à eletroforese a 70 V constante por
cerca de 50 minutos e, em seguida exposto à luz ultravioleta (UV) em trans-iluminador e sua
imagem captada por uma câmera CCD (ESTAM KODAK COMPANY; Rochester, New
York) (dados não apresentados).
Sintese de cDNA
Em tubo de microcentrífuga, foram adicionados: 4 µg de RNA total; 1 µL Oligo
dT (dT
12-18
, Invitrogen) 1 µL dNTPs (ATGC) 10mM cada, perfazendo um volume final de 14
µL. A mistura foi aquecida a 65 ºC durante 5 minutos e, em seguida, colocada em gelo. Foram
adicionados à reação: 4 µL de tampão de primeira fita (5x, BRL), 2 µL DTT (100mM), 1µL
RNAguard,. A mistura foi aquecida a 42ºC por 2 minutos, e então se adicionou 1µL da enzima
Superscript II (BRL, 200U/ µL), prosseguindo-se com rápida centrifugação em
microcentrífuga e incubação a 42 ºC por 50 minutos. Após esse período a reação foi inativada
143
a 70ºC por 15 minutos. Para remover o RNA complementar ao cDNA adicionou-se 1 µl (2
unidades) de E. coli RNase H e incubou-se a 37º C por 20 minutos. A purificação das amostras
de cDNA foram realizadas através do Kit comercial Wizard SV Gel and PCR Clean-Up
System (PROMEGA) de acordo com as recomendações do fabricante, partindo de 5 µg de
cDNA.
Seleção das ESTs (Expressed Sequence Tag)
Foi utilizado DNA plasmidial de clones ESTs provenientes de bibliotecas de
cDNA construídas pelo projeto Genoma do Eucalyptus - FORESTs (EUCALYPTUS
GENOME SEQUENCING PROJECT CONSORCIUM) que agrupa quatro das maiores
companhias da área de papel e da celulose do Brasil, junto com o ONSA-AEG da FAPESP -
Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo, que possui 123.889 ESTs de tecidos
diferentes, incluindo plantas jovens (SD), raiz (RT), madeira (WD), casca (BK), calos (CL),
folhas (LV), os internódios da haste (ST), seedlings (SL).
A busca foi feita usando um valor de ponto inicial descrito na ferramenta de busca
de alinhamento (BLASTp), considerando e-value da faixa -10 e -53. As sequencias
depositadas no National Center for Biotechnology Information (NCBI) foram usadas como
“driver” para análise e alinhamento pelo programa TBLASTN (Altschul et al., 1997) em
contraste aos conjuntos de ESTs obtidos pelo FOREST. Uma vez que um conjunto
correspondente foi obtido, fez-se o alinhamento pelo programa BLAST X, com a proteína da
NCBI, para verificação da seqüência. Os alinhamentos das seqüências de nucleotídeos foram
construídos usando o Clustal X (v.1.81) um programa múltiplo de alinhamento de seqüências
(Thompson et al., 1997) usando o método de agrupamento dos vizinhos mais próximos (Bol et
al., 1990; Sticher et al., 1992). Identificou-se os grupos de seqüências de cDNA similares a
144
outras moléculas já conhecidas, como moléculas de plantas com função sinalizadora,
fitoalexinas e vias de biossíntese de lignina, proteínas-RP e supostos genes correspondendo às
enzimas envolvidas na detoxificação de moléculas de oxigênio reativo, entre outros.
Preparação das membranas para macroarranjo
As membranas foram confeccionadas junto ao Centro Brasileiro de Estocagem
de Genes (BCC Center)- UNESP-Jaboticabal. Para a preparação das membranas foi utilizado
DNA plasmidial de 192 clones ESTs que foram obtidos por meio de micro-preparação,
realizada através de lise alcalina em placas de 96 poços. Todos os clones foram re-
sequenciados para confirmar a identidade do inserto.
As amostras de DNA plasmidial foram transferidas para membranas de náilon de
85 x 125 mm, carregadas positivamente (Genetix), utilizando-se um sistema robotizado (Q-
BOT-GENETIXUK) do BCC. As amostras foram depositadas em quadruplicada, com
espaçamento de 900 micras entre cada ponto, num arranjo 3X3, perfazendo um total de 768
pontos por membrana. Após a transferência do DNA, as membranas foram submetidas a
tratamento em solução de desnaturação (NaCl 1,5M e NaOH 0,5M) e de neutralização (NaCl
1,5M e Trizma 1M) por 5 e 10 min., respectivamente e, posteriormente, fixou-se o DNA à
membrana por radiação com luz UV (1600 joules) em aparelho Ultraviolet Crosslinker
(CL1000, UVP), seguindo as recomendações do fabricante (Genetix, UK).
Metodologia de marcação com quimiluminescência e hibridização
Em alternativa a marcação radioativa foi realizada marcação por
quimiluminescência através da enzima fosfatase alcalina, o que permitiu maior agilidade na
conclusão do experimento, maior segurança devido ao não manuseio com material radioativo,
além de redução no custo do projeto. Para isso foi utilizado o kit de marcação AlkPhos
145
Direct
TM
(GE-Healthcare), seguindo as instruções do fabricante com algumas modificações
para otimização da técnica de marcação.
Antes da pré-hibridação as membranas foram colocadas em solução em ebulição
de SDS 0,1% durante 5 minutos. A pré-hibridação das membranas foi realizada em forno
Hybaid, modelo H9360 (Hybaid Instruments, Holbrook, NY). Ao tampão de hibridação,
fornecido pelo kit, foi adicionado 0,5 M NaCl e 4% (w/v) de reagente de bloqueio (fornecido
pelo Kit) e deixado sobre gentil agitação durante 2 horas. Em seguida essa solução foi pré-
aquecida a 55ºC e colocada em garrafas de hibridação juntamente com as membranas por 2
horas, equivalente a 0,25 ml de solução/cm
2
de membrana. À solução tampão de hibridação
utilizada para a pré-hibridação foi adicionado o cDNA marcado na proporção de 10ng/ml de
tampão, permanecendo por 16 horas à 50ºC.
Após a hibridação, procedeu-se a lavagem das membranas para retirada das
hibridações inespecíficas que possivelmente tenham ocorrido. A lavagem foi realizada
seguindo as instruções do fabricante, também com testes de temperaturas para melhores
resultados. Após as lavagens foi retirado o excesso dos tampões de lavagens, e colocado 30-40
ul de reagente de detecção CDP-Star (GE-Healthcare) e deixado por 3 a 5 minutos, após
retirada do excesso as membranas foram plastificadas e expostas em filme revelação
Hyperfilm
TM
ECL (GE-Healthcare) com 1 hora e 30 de minutos de exposição. A revelação foi
realizada com Fixador e Revelador GBX (KodaK). As imagens foram captadas com auxílio de
um scanner (HP Photosmart C3180) e foram convertidas em extensão ‘.TIFF’ monocromática
16 bits.
146
Análise dos macroarranjo e análises estatísticas
Os sinais obtidos das imagens foram quantificados usando-se o software BZScan
(http://tagc.univ-mrs.fr/ComputationalBiology/bzscan/). Para as análises foram utilizados as
emissões brutas dos pontos sem subtrair o valor da emissão de fundo local (“background”). Os
dados relativos à emissão bruta dos pontos foram exportados para uma planilha do programa
MS Excel (Microsoft, Redmond, WA).
Em seguida os dados foram exportados para um arquivo texto delimitados por
tabulação, o qual foi importado para o programa estatístico R (R Development Core Team,
2005; Ihaka & Gentleman, 1996) e procedido às análises utilizando programas desenvolvidos
pelo projeto Bioconductor (Gentleman, 2004).
Para tornar possível a comparação entre os macroarranjos, com o auxilio do pacote
vsn (Huber, 2002) pertencente ao projeto Biocondutor foi realizado a estabilização das
variâncias e uma normalização dentro e entre as membranas. O controle de qualidade foi
investigado por meio de gráficos estatísticos apropriados, sendo eles: diagrama de caixas
(boxplots) e histograma de freqüências relativas. Os genes diferentemente expressos foram
identificados com base nos valores do ´Fold Change` que é a razão (R) entre o valor obtido
para um determinado tratamento pelo valor obtido para o seu respectivo controle para um dado
gene. Genes com R de > 1,5 ou < 0,6 foram considerados induzidos ou reprimidos,
respectivamente.
147
RESULTADOS
Normalização dos dados
Para tornar possível a comparação entre os macroarranjos, a normalização foi
aplicada aos dados utilizando o pacote vsn/R. O controle de qualidade foi investigado por
meio de gráficos estatísticos apropriados, sendo eles: histograma de freqüências relativas e
diagrama de caixas (boxplots).
Nesta etapa é feito o ajuste das intensidades de cada hibridização individualmente,
para que comparações posteriores possam ser feitas. Existem várias razões pelas quais a
normalização precisa ser feita como, por exemplo, a colocação de quantidades diferentes de
cDNA inicial nas membranas e erros sistemáticos ao medir os níveis de expressão. Na Figura
15 é possível observar que os dados apresentaram-se dentro de uma distribuição normal depois
de normalizados. Na figura 16 é possível visualizar os Box-Plots dos dados antes e após a
normalização.
Figura 15. Histograma das freqüências relativas de todos os dados após normalização pelo
método vsn R indicando que se aproximam de uma distribuição normal.
148
Figura 16 Diagrama de caixas (boxplots) de todos os dados normalizadosantes e após a
normalização pelo pacote vsn do programa R
Expressão gênica após inoculação com Puccinia psidii
O padrão de expressão gênica entre os clones C0 (de moderada resistência) e VR
(suscetível) não foi similar, considerando os genes diferentemente expressos que apresentaram
razão do “fold change” de > 1,5 ou < 0,6 (induzidos ou reprimidos, respectivamente). De um
total de 192 ESTs distribuídas nas membranas de macroarranjos, 25 (13,02%) mostraram
alterações no padrão de expressão nas diferentes condições que foram submetidas às plantas
do clone VR, sendo 18 induzidas e 7 reprimidas (Tabela 1). Entre as plantas do clone C0, 4
ESTs (2,08%) se mostraram com diferenciada, sendo 3 induzidas e 1 reprimida. Entretanto, a
diferenciação de expressão de algumas dessas não pode ser atribuída à presença do patógeno,
visto que algumas também se mostraram induzidas ou reprimidas nas plantas que não foram
inoculadas.
Amostras
Amostras
149
Tabela 1. Expressão diferencial de genes do clone VR (Suscetível a ferrugem do eucalipto)
quando inoculado com Puccinia psidii
Fold Change tratamento /controle (VR s/inoc 0 hora)
Identificação Descrição 0 hora
24 horas 48 horas 72 horas
Inoc s/inoc
Inoc. s/inoc
Inoc. s/inoc
Inoc.
INDUZIDOS
EGLV2206B11.g
9-cis-epoxycarotenoid dioxygenase
1,42
1,40 1,75*
1,40 1,12
1,45 1,43
EGRT3148F09.g
Acetil coa carboxilase
1,36
1,51*
1,42
1,80*
1,72*
1,77*
1,40*
EGRT3319H04.g
Atgols1 galactinol synthase
1,66*
1,65*
1,68*
1,86*
1,55*
1,76*
1,70*
EGST2013D06.g
Atgols1 galactinol synthase
1,58*
1,86*
2,08*
1,42 1,46
1,04 1,42
EGLV1201F10.g Catalase / enzima de desintoxicação
1,93*
1,45 2,16*
1,27 1,32
1,26 1,26
EGSL1116C05.g
Déficit hídrico
1,37
1,51*
1,59*
1,27 1,27
1,36 1,11
EGST2233B11.g
Glutationa S-Transferase
2,68*
1,30 2,13*
1,21 2,38*
1,44 1,44
EGFB1202C07.g
Glutationa S-Transferase
2,22*
1,21 2,65*
1,16 1,44
1,07 1,42
EGLV1202D12.g
Lipoxygenase
1,40
1,39 3,15*
1,22 3,33*
1,12 3,53*
EGST2080D02.g
Morte celular programada
1,89*
1,34 2,69*
1,21 1,18
1,14 1,51*
EGST6202C05.g
Morte celular programada
1,94*
0,97 2,56*
0,85 0,97
0,94 0,78
EGST6257E07.g
Peroxidase
1,04
1,09 1,56*
1,08 1,01
1,05 0,72
EGRT3312E05.g
Peroxidase
0,83
1,14 1,87*
1,05 2,82*
0,91 0,95
EGSL5065E07.g
Phenylalanine ammonia lyase - PAL
0,96
0,85 2,01*
0,80 1,08
0,95 1,09
EGLV2266H01.g
PR III Quitinase
1,07
1,05 2,31*
1,11 1,00
1,06 1,00
EGST2201A05.g
PR II β-1,3-Glucanase
0,93
1,03 2,84*
0,97 2,98*
0,95 1,67*
EGFB1039E04.g
Superoxido Dismutase
1,59*
1,45 1,80*
1,36 1,54
1,31 1,52
EGRT3143E07.g
Tubulina b
0,86
1,26 3,35*
1,10 2,11*
1,07 1,05
REPRIMIDOS
EGRT3001E07.g
4- coumarate-coa ligase
0,94
0,99 1,04
0,88 0,37*
0,88 0,94
EGCL1327C07.g
Enzima de desintoxicação
0,92
0,49*
0,83*
0,95 0,93
0,85 0,90
EGST2002C02.g
Hidroxyphenylpyruvate dioxygenase
0,86
0,47*
0,48*
1,02 0,90
0,97 0,88
EGSL1048B09.g
Isopentenyl pyrophosphate isomerase
0,90
0,41*
0,92
0,90 0,53*
0,89 0,89
EGRT3123D01.g
Phosphslipid Hydroperoxidase glutathione
0,88
0,55*
0,50*
0,97 0,80
0,95 0,94
EGFB1021A07.g
PTGS
1,02
0,48*
0,62*
1,17 1,03
1,16 1,12
EGST7267C07.g
PTGS
1,15
0,52*
0,57*
1,06 1,14
1,16 1,08
*Genes diferentemente expressos de acordo o fold change > 1,5 ou < 0,6 induzidos ou reprimidos, respectivamente.
150
Tabela 2. Expressão diferencial de genes clone C0 (Moderadamente resistente a ferrugem do
eucalipto) quando inoculado com Puccinia psidii
Fold change tratamento /controle (C0 s/inoc 0 hora)
Identificação Descrição
0 hora
24 horas
48 horas
72 horas
inoc
s/inoc inoc
s/inoc
inoc
s/inoc
inoc
INDUZIDOS
EGRT6013E03.g
Isoflavone reductase
1,41
1,38 1,44
1,39 1,45
1,88* 1,99*
EGSL4258C07.g
PR 7 oryzanin
1,22
1,39 1,40
1,75*
1,53*
1,78* 1,79*
EGCL1327C07.g
Enzima de desintoxicação
1,39
1,54* 1,62*
1,15 1,40
1,50* 1,59*
REPRIMIDOS
EGST2236C12.g
Geranilgeranil pirofosfato
sintase
0,83
0,97 0,99
0,48*
0,59*
0,98 0,87
*Genes diferentemente expressos de acordo o fold change > 1,5 ou < 0,6 induzidos ou reprimidos, respectivamente.
As ESTs que se mostraram induzidas nas plantas do clone C0 estão relacionadas
com a isoflavone reductase (EGRT6013E03.g), com a enzima de desintoxicação
(EGCL1327C07.g) e com uma PR 7 oryzanin (EGSL4258C07.g); e a EST geranilgeranil
pirofosfato sintase (EGST2236C12.g) que se mostrou reprimida. Entretanto, apesar de se
mostrarem diferentemente expressas em relação ao controle, não foi observado que as
diferenças tiveram relação com a presença do patógeno, visto que foram induzidas ou
reprimidas mesmo na ausência desse (Tabela 2).
Nas plantas do clone VR foram encontradas ESTs com comportamento
diferenciado após serem inoculadas com P. psidii (Tabela 1). Dentre as ESTs que atuam na
polarização celular e fortalecimento da parede celular foi possível identificar a tubulina
(EGRT3143E07.g) que foi induzida 24 e 48 horas após inoculação (Tabela 1). Com relação a
enzimas reguladoras que podem desintoxicar a célula de espécies ativas em oxigênio foram
identificadas uma EST relacionada com a enzima superoxido dismutase (EGFB1039E04.g)
que por sua vez está relacionada a explosão oxidativa, sendo um dos primeiros eventos na
151
interação planta-patógeno, induzida 24 horas após inoculação e a catalase (EGLV1201F10.C)
que é uma enzima de desintoxicação que converte o H
2
O
2
em O
2,
sendo induzida 0 e 24 horas
após inoculação. Além da catalase, duas ESTs referentes a enzimas antioxidantes como a
glutationa-S-transferase (EGST2233B11.g e EGFB1202C07.g) foram induzidas 0, 24, 48
horas após inoculação (Tabela 1). Ainda em relação à reação de hipersensibilidade duas ESTs
(EGST2080D02.g e EGST6202C05.g) envolvidas na morte celular programada também se
mostraram induzidas 24 e 48 horas após inoculação com o patógeno.
Referente às proteínas relacionadas com a patogenicidade também foram
encontradas algumas ESTs com comportamento diferenciado nas plantas do clone VR após
inoculação (Tabela 1), dentre elas RP II β-1,3-glucanase (EGST2201A05.g) induzida 24, 48 e
72 horas após inoculação, que atua na degradação da parede celular do fungo e na liberação de
elicitores; a PR III Quitinase (EGLV2266H01.g) induzida 24 horas após inoculação que
também atua na degradação da parede fúngica e na liberação de elicitores; além de duas ESTs
relacionadas a peroxidase (EGST6257E07.g e EGRT3312E05.g) sendo induzidas 24 e 48
horas e 24 horas após inoculação, respectivamente, que estão diretamente ligadas à lignificação
dos tecidos a qual polimeriza lignina a partir da oxidação de hidroxilas de grupos fenólicos (Pascholati
& Leite 1995). Em relação à peroxidação de lipídios, a lipoxigenase (EGLV1202D12.g) se
mostrou induzida 24, 48, horas após inoculação com P. psidii (Tabela 1).
ESTs relacionadas às enzimas envolvidas na rota dos fenilpropanóides, como a
fenilalanina amônia-liase (FAL) ( EGSL5065E07.g) cuja participação resulta em compostos
como fitoalexinas, foi induzida nas plantas do clone VR 24 horas após inoculação, ao passo que
a EST relacionada com a 4-coumarate-coa-ligase (EGRT3001E07.g) foi reprimida 48 horas
após inoculação e uma EST relacionada com 9-cis-epoxicarotenoide-dioxigenase
152
(EGWD2252H08.g) que participa da biossíntese do ácido abscísico foi induzida 24 horas após
inoculação.
Expressão gênica após tratamento com Acibenzolar-S-metil e inoculação com Puccinia
psidii
Após tratamento com Acibenzolar-S-metil as plantas dos clones C0 e VR
(moderadamente resistente e suscetível a ferrugem, respectivamente) não apresentaram um
padrão de expressão gênica similar. Das 192 ESTs distribuídas nas membranas de
macroarranjos, 21 (10,93%) apresentaram perfil diferenciado nas plantas do clone VR sendo
17 induzidas e 4 reprimidas (Tabela 3) e nas plantas do clone C0 foram encontradas 15 ESTs
(7,81%) com perfil diferenciado, sendo que 12 se mostraram induzidas e 3 se mostraram
reprimidas (Tabela 4).
Tabela 3. Expressão diferencial de genes do clone VR (Suscetível a ferrugem do eucalipto) quando
tratado com Acibenzolar-S-metil (ASM) cinco dias antes inoculação com P. psidii
Fold change tratamento /controle (VR s/ASM; s/inoc ; 0 hora)
Identificação Descrição 0 hora 24 horas 48 horas 72 horas
s/inoc
inoc s/inoc
inoc s/inoc
inoc s/inoc
inoc
INDUZIDOS
EGRT3148F09.g
Acetil coa carboxilase 1,40 1,47 1,67*
1,45 1,57*
1,52* 1,22 1,41
EGRT3319H04.g
Atgols1 galactinol synthase 1,35 1,74*
1,75*
1,46 1,75*
1,70* 1,76*
1,71*
EGLV1201F10.g Catalase
1,22 1,39 1,47 1,91* 1,47 1,43 1,32 1,29
EGRT3345C04.g
Crescimento 2,49*
2,48*
2,38*
2,38* 2,38*
2,40* 2,25*
2,34*
EGSL1048H11.g
Crescimento 1,85*
1,41 1,58*
1,91* 1,57*
1,43 1,44 1,52*
EGST6003C02.g
Farnesil transferase unid. A 1,42 1,41 1,40 1,19 1,40 1,47 1,38 1,53*
EGLV2299C03.C
Ferredoxina (fotossistema I)
1,43 1,40 1,58*
1,57* 1,52*
1,45 1,46 1,41
EGRT3300C12.g
Flavone-3-hydroxilase 1,39 1,72*
1,82*
1,72* 1,82*
1,37 1,46 1,48
EGST2233B11.g
Glutationa S-Transferase 2,62*
2,53*
2,55*
2,66* 2,55*
2,44* 2,69*
2,24*
EGFB1202C07.g
Glutationa S-Transferase 2,63*
2,74*
2,70*
2,76* 2,70*
2,79* 2,24*
2,69*
EGLV1202D12.g
Lipoxygenase 1,30 3,39*
1,36 3,46* 1,16 4,87* 1,47 1,05
EGST2080D02.g
Morte celular programada 1,28 1,98*
1,41 2,19* 1,01 1,67* 1,43 1,46
EGRT3312E05.g
Peroxidase 1,84*
1,78 2,05*
2,86* 1,08 1,13 1,03 1,07
153
*Genes diferentemente expressos de acordo o fold change > 1,5 ou < 0,6 induzidos ou reprimidos, respectivamente.
Tabela 4. Expressão diferencial de genes do clone C0 (Moderadamente resistente a ferrugem do
eucalipto) quando tratado com Acibenzolar-S-metil (ASM) cinco dias antes da inoculação com P.
psidii
*Genes diferentemente expressos de acordo o fold change > 1,5 ou < 0,6 induzidos ou reprimidos, respectivamente.
EGSL5065E07.g Phenylalanine ammonia lyase - PAL
2,00*
2,90*
2,07*
2,83* 1,07 1,03 0,99 0,98
EGLV2266H01.g
PR 8 class III (chitinase) 2,03*
2,13*
1,99*
1,85* 2,00*
2,05* 1,02 0,84
EGST2201A05.g
PR-2 beta- 1,3- glucanase 1,08 1,78*
1,07 2,65* 0,99 0,81 0,91 0,96
EGBK1051A06.g
Proteina quinase
1,43 0,97 1,99*
2,24* 0,95 1,02 0,83 0,94
REPRIMIDOS
EGFB1017A05.g
Déficit hídrico 1,11 0,97 0,99 0,97 0,99 0,44* 0,99 0,95
EGSL8047C03.g
Glutamino sintetase 0,79 0,95 1,02 0,92 1,02 0,37* 0,96 1,02
EGSL1048B09.g Isopentenyl pyrophosphate isomerase
0,88 0,92 0,51*
0,93 0,51*
0,93 0,77 0,93
EGSL1050E09.g
PR 10 ribonuclease-like proteins 0,53*
0,88 0,91 1,15 0,91 1,05 1,12 1,08
Fold Change tratamento/controle(C0 s/ASM; s/inoc ; 0 hora)
Identificação
Descrição
0 hora 24 horas 48 horas 72 horas
s/inoc
inoc
s/inoc
inoc s/inoc
inoc s/inoc
Inoc
INDUZIDOS
EGRT3184D07.g
Crescimento
1,99*
1,98*
1,54*
1,77*
1,03 0,98
0,94 1,04
EGLV2299C03.g
Ferredoxina (fotossistema I)
2,03*
1,91*
2,01*
2,52*
1,55*
1,97*
0,99 0,87
EGRT3300C12.g
Flavone-3-hydroxilase
1,81*
1,98*
2,24*
1,17
1,28 1,18
1,59*
1,21
EGST6257E07.g
Glutationa peroxidase
1,89*
1,75*
2,49*
2,54*
0,90 1,03
0,96 0,97
EGFB1202C07.g
Glutationa-S-transferase
1,53*
2,54*
1,91*
1,96*
1,02 0,97
1,04 1,02
EGSL4281C09.g
Phenylalanine ammonia lyase PAL
2,10*
1,96*
2,03*
2,83*
1,07 1,03
0,99 0,98
EGFB1045A11.g
Pr 9 peroxidases
1,99*
1,91*
2,85*
2,01*
1,43 0,93
1,01 0,94
EGBK1051A06.g
Proteina quinase
1,43 0,97
2,41*
1,94*
1,95*
2,02*
0,83 0,94
EGRT3123D01.g
Putative phosphslipid
hydroperoxidase glutathione
1,04 1,00
0,97 1,53*
0,76 0,98
0,72 1,03
EGSL4258C07.g
PR 7 oryzanin
1,58*
1,68*
1,28 1,46
1,53*
1,45
1,48 1,2
EGCL1327C07.g
Enzima de desintoxicação p451
1,36 1,36
1,36 1,27
1,76*
0,97
1,30 1,61*
REPRIMIDOS
EGST2008E06.g
Fitoeno sintase
0,53*
0,88
0,99 0,97
1,05 0,79
1,01 1,02
EGFB1021A07.g
Ptgs
0,94 0,85
0,94 0,54*
0,92 0,89
1,07 0,94
EGST7267C07.g
Ptgs
1,01 0,85
0,72 0,52*
1,02 0,97
0,90 0,88
154
Após tratamento com Acibenzolar-S-metil em plantas do clone VR foram
identificadas algumas ESTs relacionadas à defesa vegetal implicadas no estresse oxidativo,
como a glutationa-S-transferase (EGST2233B11.g e EGFB1202C07.g) que se mostraram
induzidas em todos os tempos, inoculadas ou não com P. psidii. Entretanto, a EST relacionada
com a catalase (EGLV1201F10.C) se mostrou induzida apenas nas plantas do clone VR 24
horas após inoculação com o patógeno (Tabela 3). Nas plantas do clone C0 tratadas com
Acibenzolar-S-metil as ESTs relacionadas à glutationa-S-transferase (EGFB1202C07.g) e à
glutationa peroxidase (EGST6257E07.g) se mostraram induzidas independentemente da
presença do patógeno (Tabela 4). Com relação às ESTs envolvidas com morte celular
programada (EGST2080D02.g ) apenas foram encontradas em plantas do clone VR tratadas
com Acibenzolar-S-metil após serem inoculadas (Tabela 3). Entretanto, nas plantas do clone
C0 essa EST não foi induzida ou reprimida (Tabela 4). Foi possível identificar entre as ESTs,
uma que fora envolvida na percepção e transdução de sinal relacionada com a proteína quinase
(EGBK1051A06.g) induzida nas plantas dos clones VR e C0 independente da inoculação.
Com relação às proteínas relacionadas com a patogenicidade foram encontradas
algumas ESTs se diferenciando nas plantas do clone VR tratadas com Acibenzolar-S-metil ou
somente após serem inoculadas com o patógeno (Tabela 3). No clone C0 essas ESTs apenas se
mostraram com comportamento diferenciado em função do efeito do Acibenzolar-S-metil e
não quando foram inoculadas (Tabela 4). Dentre elas, a EST envolvida com a PR II β-1,3-
glucanase (EGST2201A05.g) foi induzida 24, 48 horas após inoculação nas plantas do clone
VR quando desafiadas pelo patógeno, entretanto, as plantas do clone C0 foi induzida somente
devido o efeito do indutor. A PR III Quitinase (EGLV2266H01.g) foi induzida em ambos os
clones quando tratados com o Acibenzolar-S-metil independentemente da ação do fungo. Uma
155
EST relacionada à peroxidase (EGST6257E07.g) foi induzida nas plantas do clone VR e C0
tratadas com Acibenzolar-S-metil inoculadas ou não com o patógeno (Tabela 3 e 4 ). Em
relação à peroxidação de lipídios, a lipoxigenase (EGLV1202D12.g) se mostrou induzida 24,
48, horas após inoculação com P. psidii apenas nas plantas do clone VR (Tabela 1).
ESTs ligadas à síntese de metabólitos secundários antimicrobiano foram
identificadas em ambos os clones (C0 e VR). A enzima flavone-3-hydroxilase
(EGRT3300C12.g) envolvida no metabolismo de flavonóides foi induzida em plantas tratadas
inoculadas ou não. ESTs relacionadas às enzimas envolvidas na rota dos fenilpropanóides,
como a fenilalanina amônia-liase (FAL) ( EGSL5065E07.g) também foi induzida nas plantas
de ambos os clones quando tratadas com Acibenzolar-S-metil mesmo quando não foram
inoculadas .
Além das ESTs envolvidas com a resistência de plantas contra fitopatógenos foi
verificado outras relacionadas com genes envolvidos no processo de manutenção celular e
desenvolvimento vegetal em função da aplicação de Acibenzolar-S-metil, como duas ESTs
relacionadas ao crescimento (EGRT3345C04.g e EGSL1048H11.g) e outra relacionada a
Ferredoxina (fotossistema I) (EGLV2299C03.g) que se mostraram induzidas em ambos os
clones na presença ou ausência do patógeno (Tabela 3 e 4).
DISCUSSÃO
A partir das ESTs selecionadas para execução desse trabalho foi possível observar
importantes alterações relacionadas ao sistema de defesa do eucalipto quando inoculados com
P. psidii ou quando tratados com indutor de resistência Acibenzolar-S-metil. Foram
observadas várias ESTs sendo induzidas ou reprimidas, relacionadas ao fortalecimento da
156
parede celular, polarização celular, acúmulo de proteínas-RP, enzimas envolvidas na rota dos
fenilpropanóides, enzimas envolvidas na peroxidação de lipídios, acúmulo de compostos
fenólicos entre outras.
Referente à polarização celular e fortalecimento da parede celular, dentre as ESTs
estudadas, foi possível identificar a tubulina sendo induzida somente nas plantas do clone VR
após inoculação com o patógeno. Segundo Gross et al. (1993) a polarização celular, prévia à
resposta hipersensível, é uma resposta que envolve uma série de mudanças morfológicas e
uma rápida reprogramação metabólica da planta frente a fungos biotróficos na procura de uma
resposta rápida e localizada a construção de uma barreira neste sítio reforçando a parede
celular.
Após o reconhecimento, uma cascata de sinais é acionada, o que leva à ativação
dos mecanismos de defesa das plantas. Um dos primeiros eventos na interação planta-
patógeno é a explosão oxidativa, que se constitui na produção de espécies reativas de
oxigênio, que pode resultar em reação de hipersensibilidade. A explosão oxidativa produz
diversos compostos denominados espécies reativas de oxigênio como peróxido de hidrogênio
(H
2
O
2
), outros peróxidos, o ânion superóxido (O
2
-) e radicais hidroxilas livres (OH-)
(Resende, 2003). No presente trabalho, em relação a enzimas reguladoras que podem
desintoxicar a célula de espécies ativas em oxigênio foram encontradas, nas plantas do clone
VR inoculadas, ESTs como superoxido dismutase, catalase e glutationa-S-transferase. O
indutor Acibenzolar-S-metil teve influência direta sob a indução da EST relacionada a
glutationa-S-transferase em ambos os clones (C0 e VR) e sob a EST relacionada a glutationa
peroxidase somente no clone C0 independente da ação do patógeno.
157
Ainda em relação à reação de hipersensibilidade duas ESTs envolvidas na morte
celular programada se mostraram induzidas somente em plantas do clone VR tratadas ou não
com o indutor de resistência, mas somente após inoculação com o patógeno. Segundo Guzzo
(2004) a morte localizada de algumas células vegetais no sítio de penetração de patógenos
pode se constituir em um processo eficaz para a contenção de patógenos biotróficos, que
necessitam de células vivas para obtenção de nutrientes durante seu desenvolvimento. O
colapso da célula vegetal acarreta a liberação de compostos pré-formados, estocados no
vacúolo, tóxicos aos microrganismos, que se acumulam nos sítios de infecção
impossibilitando o estabelecimento desses patógenos (Hammond-Kosack & Jones, 1996).
Foi possível identificar uma ESTs envolvida na percepção e transdução de sinal
denominada de proteína quinase sendo induzida nas plantas dos clones VR e C0 apenas
quando foram tratados Acibenzolar-S-metil independente da inoculação, evidenciando o efeito
do indutor na indução dessa EST. Segundo Guzzo (2004), a expressão da resistência induzida
em plantas implica na ativação de mecanismos iniciais de percepção e transdução de sinais,
que vão sinalizar a célula vegetal para induzir a expressão de genes e síntese subseqüente de
compostos de defesa e dentre as proteínas implicadas no mecanismo de percepção e
transdução a quinase tem grande importância.
Com relação às proteínas relacionadas com a patogenicidade foram encontradas
algumas ESTs se diferenciando nas plantas do clone VR quando foram inoculadas, quando
foram tratadas com Acibenzolar-S-metil ou quando foram tratadas e inoculadas com o
patógeno. Nas plantas do clone C0 essas ESTs apenas se mostraram induzidas em função do
efeito do Acibenzolar-S-metil e não quando foram inoculadas, evidenciando que a indução foi
devido a ação do indutor e não do patógeno.
158
Dentre elas, a EST envolvida com a PR II β-1,3-glucanase foi induzida nas
plantas do clone VR quando foram desafiadas pelo patógeno, entretanto, em plantas do clone
C0 a EST não se mostrou induzida quando inoculadas ou quando as plantas foram tratadas
com indutor de resistência. As β-1,3-glucanases são enzimas que hidrolisam polímeros de β-
1,3-glucana, composto este, que juntamente com a quitina, são os principais componentes que
dão resistência a parede celular dos fungos (Cornelissen & Melchers, 1993). As β-1,3-
glucanases liberam fragmentos glicosídicos, tanto do patógeno, quanto da própria parede
celular da planta, os quais podem atuar como elicitores de defesas do hospedeiro (Cutt &
Klessig, 1992).
A PR III Quitinase foi induzida no clone VR após inoculação ou quando tratadas
com Acibenzolar-S-metil, efeito que o indutor ocasionou também em plantas do clone C0,
independente da ação do patógeno. Estudos recentes têm mostrado que a super expressão de
genes de quitinases em plantas tem aumentado a resistência dessas plantas a patógenos, uma
vez que a enzima catalisa a hidrólise dos polímeros quitina, componente principal das paredes
celulares dos fungos, podendo apresentar atividade antimicrobiana (Van Loon et al., 2006).
A EST relacionada com a peroxidase foi induzida nas plantas do clone VR sem
tratamento com indutor quando inoculada com o patógeno, no entanto a aplicação de
Acibenzolar-S-metil também ocasionou a indução nas plantas de ambos os clones inoculados
ou não com o patógeno. A enzima peroxidase está diretamente ligada à lignificação dos
tecidos a qual polimeriza lignina a partir da oxidação de hidroxilas de grupos fenólicos
(Pascholati & Leite 1995). Os mesmos autores argumentam que a lignificação e seus
precursores tóxicos exercem papel importante na relação de resistência em plantas de batata
infectadas por P. infestans. A atividade da peroxidase, na maioria dos casos, aumenta sob
159
condições de diferentes situações de estresse, provocada por ferimentos, infecções por fungos,
salinidade, déficit hídrico, déficit nutricional, dentre outros, levando também ao acréscimo na
produção de lignina e etileno (Schallenberger, 1994).
Em relação à EST envolvida com a lipoxigenase pode ser observado na indução
apenas nas plantas do clone VR tratadas ou não tratadas com Acibenzolar-S-metil quando
foram inoculadas com o patógeno. Segundo Silva et al. (2001) durante um processo de
estresse, ocorrem danos físicos às células e em razão disso uma degradação seqüencial de
lipídeos pode ser iniciada pelas lipoxigenases. Essas formam hidroperóxidos de ácidos graxos
que são rapidamente metabolizados para formar vários produtos. Dentre esses estão a
traumatina envolvida na resposta a ferimentos, na indução da divisão celular e formação de
calos (Melan et al., 1993), os aldeídos voláteis e oxiácidos que causam efeito inibitório sobre o
crescimento de fungos patogênicos (Vaughn e Gardner, 1993).
Em relação às ESTs ligadas a síntese de metabólitos secundários antimicrobianos,
o efeito do Acibenzolar-S-metil foi determinante para induzir em ambos os clones a EST
relacionada com a enzima flavone-3-hydroxilase envolvida no metabolismo de flavonóides,
sendo induzida em plantas inoculadas e não inoculadas. ESTs relacionadas às enzimas
envolvidas na rota dos fenilpropanóides, como a fenilalanina amônia-liase (FAL)
EGSL5065E07.g) também foi induzida nas plantas de ambos os clones quando tratadas com
Acibenzolar-S-metil mesmo quando não foram inoculadas. Nas plantas do clone VR sem
tratamento com indutor, mas inoculadas com o patógeno também foi verificado indução das
ESTs fenilalanina amônia-liase, 4-coumarate-coa-ligase 9-cis-epoxicarotenoide-dioxigenase
cuja participação resulta em compostos como fitoalexinas.
160
Duas ESTs relacionadas ao crescimento e à Ferredoxina (fotossistema I) se
mostraram induzidas em ambos os clones na presença ou ausência do patógeno quando
tratadas com o indutor de resistência, evidenciando o efeito do Acibenzolar-S-meti na ativação
de genes envolvidos no processo de manutenção celular e desenvolvimento vegetal.
Como observado nos resultados, em plantas do clone C0 não foi verificado o efeito
do fungo interferindo na ativação de genes, no entanto nas plantas do clone VR podem ser
observadas diversas ESTs envolvidas em vários mecanismos de defesa sendo expressas
quando as plantas foram desafiadas pelo patógeno. Assumindo a possibilidade de que a
expressão gênica esteja correlacionada com a penetração do fungo, sugerindo a participação
desses genes no mecanismo de defesa das plantas, deve ser considerado, neste clone, a ação de
barreiras estruturais pré-existentes nas plantas antes da entrada do patógeno, que
possivelmente difereciam as reações entre os clones. O nível de sucesso dos patógenos em
atravessar a primeira barreira de defesa depende do grau de co-evolução da relação patógeno-
hospedeiro (Thordal-Christensen, 2003). A composição química, a quantidade e a forma física
das ceras epicuticulares de folhas são governadas por muitos fatores, variando entre espécies
(Baker & Hunt, 1981). Dessa forma, a consideração da cutícula como estrutura de resistência
deve ser analisada com prudência, visto que tal capacidade depende das características desta e
do agente de inter-relação (Silva et al., 2005). Esses fatores podem ter sido determinantes para
evitar a penetração do patógeno nos tecidos das plantas do clone C0 (moderadamente
resistente), evidenciado pela não diferenciação de expressão gênica quando a planta fora
desafiada pelo patógeno. Segundo Salvatierra (2006) estudando expressão gênica entre
indivíduos de eucalipto suscetíveis e resistentes a ferrugem, concluiu que genes pertencentes à
categoria dos componentes estruturais eram mais expressos nos indivíduos resistentes do que
161
nos suscetíveis apoiando a idéia de que os componentes da parede celular, membrana
plasmática e citoesqueleto participam ativamente na defesa contra patógenos.
Em relação às alterações observadas em função do Acibenzolar-S-metil vale
ressaltar que mecanismos de defesa em plantas que aparentemente podem estar inativos ou
latentes, são ativados e expressos após elas entrarem em contato com algum agente indutor ou
a ele serem expostas (Sticher et al. 1997). Para Kuhn (2007) quando a planta é induzida pela
presença de um elicitor, são perceptíveis alterações em seu metabolismo. Porém, quando
comparada a uma planta induzida com o mesmo elicitor e posteriormente desafiada com um
patógeno, nota-se que as alterações no metabolismo são mais intensas do que na planta apenas
desafiada ou apenas induzida, ou seja, a planta está mais capacitada para responder a presença
do patógeno.
Nas plantas do clone C0 algumas ESTs se mostraram induzidas ou reprimidas
apenas quando receberam o tratamento com Acibenzolar-S-metil e não quando foram
desafiadas pelo patógeno, evidenciando que expressão diferencial observada seria apenas
resultante da adaptação das células da planta frente a condições adversas que geram estresse,
no caso a aplicação do indutor Acibenzolar-S-metil. Entretanto, nas plantas do clone VR além
de existirem ESTs que foram diferentemente expressas devido à ação do indutor, algumas
ESTs foram diferentemente expressas somente quando as plantas previamente tratadas com
indutor foram inoculadas com o patógeno, evidenciando que os mecanismos podem ter sido
acionados, acarretando diferença de expressão gênica a partir do desafio com o patógeno em
plantas pré-condicionadas pelo efeito do Acibenzolar-S-metil.
As plantas possuem mecanismos tanto pré-formados quanto induzidos para
impedir a invasão de patógenos (Van Loon et al., 2006). Barreiras mecânicas existentes,
162
metabólitos secundários e proteínas antimicrobianas devem ser evitadas ou subjugadas pelos
patógenos para que estes consigam invadir com sucesso e colonizar os tecidos vegetais. Uma
vez havendo o contato, os patógenos produzem e liberam compostos que induzem outras
defesas tais como, o reforço da parede celular, produção de fitoalexinas e síntese de proteínas
de defesa entre vários outros (Van Loon et al., 2006). Todas as plantas possuem uma
resistência basal, mas são suscetíveis quando o patógeno consegue vencer esta resistência ou
são resistentes quando impedem que o patógeno tenha sucesso no seu ataque. O que determina
se uma planta se torna suscetível ou resistente é a rapidez e magnitude com que tais
mecanismos de defesa são ativados e expressos e também pela eficácia com que estes
mecanismos de defesa funcionam contra patógenos com diferentes modos de ataque (Wan et
al., 2002)
AGRADECIMENTOS
À Profa. Dra. Maria Inês Tiraboschi Ferro e ao Prof. Dr. Jesus Aparecido Ferro
pela disponibilização das estruturas do laboratório de Bioquímica e Biologia Molecular
(LBM) do Departamento de Tecnologia da FCAV/UNESP/Jaboticabal.
À Karina Maia Dabbas e ao Dr. Marcelo Luiz de Laia do LBM do
FCAV/UNESP/Jaboticabal pelo apoio e contribuições para realização do trabalho.
À Profa. Dra. Sônia Marli Zingararetti pelo apoio e confecção das membranas de
macroarranjo pelo Brazilian Clone Colection Center (BCCC) FCAV/UNESP/Jaboticabal.
À FAPESP (Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo) pelo apoio
financeiro.
163
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3 CONCLUSÕES GERAIS
1. Os tratamentos com Acibenzolar-S-metil (ASM), Ecolife e Sacharomyces cerevisiae
apresentaram melhores resultados no controle da ferrugem do eucalipto.
2. As folhas mais desenvolvidas (4º par) quando tratadas com Acibenzolar-S-metil e S.
cerevisiae apresentaram alterações na atividade de quitinase e peroxidase. No entrentanto
quando inoculadas com Puccinia psidii não foi verificado alterações das mesmas.
3. Alterações nos níveis de quitinase e peroxidase após inoculação apenas puderam ser
observadas nas folhas em desenvolvimento (1º e 2º pares).
4. O efeito da aplicação de Acibenzolar-S-metil e S. cerevisiae foi verificado a partir da
atividade das enzimas: quitinase, peroxidase, fenilalanina amônia-liase, tanto no clone
suscetível como no resistente.
5. Várias ESTs relacionadas ao fortalecimento da parede celular, polarização celular,
acúmulo de proteínas-RP, enzimas envolvidas na rota dos fenilpropanóides, enzimas
envolvidas na peroxidação de lipídios, acúmulo de compostos fenólicos entre outras se
mostraram diferentemente expressas após inoculação com o patógeno e/ou tratamento
com Acibenzolar-S-metil.
169
6. Em plantas do clone resistente a ferrugem as ESTs apenas se expressaram quando
receberam o tratamento com Acibenzolar-S-metil e não quando foram inoculadas.
7. Em plantas do clone suscetível diversas ESTs envolvidas em vários mecanismos de defesa
se expressaram quando as plantas foram desafiadas pelo patógeno, quando apenas foram
tratadas com o indutor de resistência ou em plantas previamente tratadas com indutor
seguida de inoculação com o patógeno.
170
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