Proteômica e metabolômica da soja: mecanismos moleculares da resistência à Anticarsia gemmatalis

Abstract

A cultura da soja (Glycine max (L.) Merrill) é umas das mais importantes para a economia do Brasil sendo o segundo maior produtor e exportador mundial. As grandes lavouras de soja, porém, encontram-se expostas a estresses bióticos como o desfolhamento ocasionado por insetos-praga como Anticarsia gemmatalis, que diminuem a produtividade. O manejo integrado de pragas no Brasil, inclui o uso de pesticidas que podem afetar o equílibro dos ecossistemas, controle biológico e melhoramento genético para produção de plantas resistentes, mas pouco se conhece sobre as características moleculares de resistência delas. O objetivo deste trabalho foi aprofundar no conhecimento sobre os mecanismos moleculares de defesa da soja em plantas susceptíveis e resistentes a insetos praga, e aplica-lo para determinar o efeito na biologia de A. gemmatalis. Neste trabalho foram aplicadas várias estratégias metodológicas, em busca de escolher a variedade com melhor resistência, como as análises de sobrevivência durante a fase larval de A. gemmatalis em plantas de soja UFV TN 105 AP e “IAC PL1” (susceptíveis) e IAC 17, “IAC 19” e IAC 24 (resistentes). Para avaliar o efeito dos compostos produzidos pelas plantas na sobrevivência dos insetos, prepararam-se extratos metanólicos, os quais foram liofilizados, se adicionaram às dietas dos insetos para fazer analises de sobrevivência, e se analisaram os flavonoides por LC-MS. As respostas fisiológicas e bioquímicas das plantas foram comparadas entre genótipos. Para isso foram feitos análises de fito-hormônios, metabôlomica e proteômica nos extratos das plantas. Os resultados mostraram que o genótipo IAC 17 teve as melhores caraterísticas de resistência. Os extratos das plantas tem efeito negativo no desenvolvimento das lagartas, afetam as enzimas intestinais e ocasionam dano neste tipo de células. As análises dos flavonoides mostraram que os genótipos têm diferenças em alguns flavonoides como a genisteína, a quercetina, o kaempferol e seus conjugados. A proteômica mostrou que houve diferenças no proteoma quando as plantas foram expostas à infestação. O proteoma no geral foi muito semelhante entre variedades. Algumas das mudanças no proteoma em 8 viesposta ao inseto entre os genótipos foram as mesmas, mas a grande maioria das proteínas que tiveram abundancia diferencial foram únicas para cada genótipo. A resposta fito- hormonal das plantas à presença da lagarta não variou muito durante os diferentes tempos avaliados, mas entre as variedades existem diferenças nas concentrações dos fito- hormônios avaliados. Fito-hormônios como o acido salicílico tiveram concentrações maiores nos genótipos resistentes e o acido jasmónico nas susceptíveis, mostrando que não todas as respostas de resistência estão relacionadas ao ácido jasmônico. As análises de metabôlomica mostraram um aumento dos metabólitos como o eriodictiol e secologanina, relacionados com defesa depois de 24h de infestação, e mudanças no metabolismo primário. A analise de PCA mostrou uma distribuição diferenciada dos dados às 24h de infestação. As plantas de soja podem ser fontes viáveis para o controle de pragas porque contêm compostos com caraterísticas de bioativos. A defesa de plantas de soja se compõe de uma rede complexa de vias, este estudo mostrou que as caraterísticas obedecem a defesa constitutiva, que pode conduzir a antibiose e tolerância da soja às pragas. O genótipo IAC 17 tem as melhores caraterísticas de resistência à herbívoria, seguido do IAC 24, mostrando ter caraterísticas de antibiose e tolerância. As plantas caracterizadas como suscetíveis e usadas neste estudo também apresentam respostas á herbívoria, mas não o suficiente para causar dano significativo à lagarta-da-soja.

The soybean crop (Glycine max (L.) Merrill) is very important for the economy of Brazil being the second largest producer and exporter in the world. However, large soybean crops are exposed to biotic stresses such as defoliation caused by insect pests such as Anticarsia gemmatalis, which decrease productivity. Integrated pest management in Brazil includes the use of pesticides that can affect ecosystem balance, biological control and genetic improvement for the production of resistant plants, but the knowledge about the molecular resistance characteristics of these plants is minimal. The aim of this work was to delve into the knowledge on the molecular mechanisms of soybean defense in plants susceptible and resistant to insect pests, and applied it to determine the effect on the biology of A. gemmatalis. In this work several methodological strategies were applied in order to select the best resistant variety, such as survival analyzes during the larval phase of A. gemmatalis in soybean plants UFV TN 105 AP and “IAC PL1” (susceptible) and IAC 17, “IAC 19” and IAC 24 (resistant). To evaluate the effect of the compounds produced by plants on insect survival, methanoic extracts were prepared, lyophilized and added to the caterpillar diets and the insect survival analyzed, and flavonoids analyzed by LC-MS. The physiological and biochemical responses of the plants compared between genotypes. For this, phytohormones, metabolic and proteomic analyzes were performed on plant extracts. The results showed that the genotype IAC 17 had the best resistance characteristics. Plant extracts have a negative effect on the development of caterpillars, affect intestinal enzymes and cause damage in this cells. The flavonoid analyzes showed that the genotypes have differences in some flavonoids like genistein, quercetin, kaempferol and their conjugates. Proteomics showed that there were differences in the proteome when the plants exposed to infestation. The proteoma was very similar between varieties. Some changes in proteome response to insect between genotypes were the same, but the great majority of the proteins that had differential abundance were unique for each genotype. The phytohormonal response of the plants to the presence of the caterpillar did 10 viiinot vary much in the different times evaluated, but between the varieties, there are differences in the concentrations of phytohormones evaluated. Phytohormones like salicylic acid had higher concentrations in the resistant and the jasmonic acid in the susceptible genotypes, showing that not all resistance responses are related to jasmonic acid. Metabolomics analyzes showed an increase in defense-related metabolites like eriodyctiol and secologannin after 24 hours of infestation, and some changes in primary metabolism. PCA analysis showed a differentiated distribution of data at 24 h of infestation. Soybean plants can be viable sources of pest control because they contain compounds with bioactive characteristics. The defense of soybean plants is composed of a complex network of pathways; this study showed that the characteristics obey the constitutive defense, which can lead to antibiosis and tolerance of soybean to pests. Genotype IAC 17 has the best characteristics of resistance to herbivory, followed by IAC 24, showing to have characteristics of antibiosis and tolerance. The plants characterized like susceptible and used in this study also present responses to the herbivory, but not enough to cause significant damage to the soybean caterpillar.