An overview of the transcriptional responses of tolerant and susceptible sugarcane varieties to borer (Diatraea saccharalis) infestation

Abstract

Diatraea saccharalis is a threat to the sugarcane productivity. Obtaining borer tolerant varieties is an alternative method of control. Although there are studies about the relationship between the interaction of D. saccharalis with sugarcane, little is known about the molecular mechanisms that confer tolerance to sugarcane varieties. The objective of this work was to characterize the transcriptional profile of sugarcane genotypes in response to borer attack and to identify differentially expressed transcripts and genes. For that, two sugarcane varieties were analysed, RB867515 and SP80-3280, considered tolerant and sensitive to the attack of the sugarcane borer, respectively. The experiment was conducted in DIC, with three replications, in a greenhouse. Individual 2-month-old plants were infested with 20 larvae (3 rd – 4 th instar). The plant material was collected after 12 hours of borer infestation to extract the total RNA, which was sent for sequencing using the Illumina HighSeq 2500 system. The differential expression was analyzed using the abundance of reads per transcript/gene between the infested plants and the control group using the software KALLISTO version 0.43.1 and STAR version 2.7.0a, utilizing the transcripts of the SUGIT (Sugarcane Iso-Seq Transcriptome) and genes from STP (Single Tiling Path) databases as mapping references. The data were submitted to differential expression analysis using the DESeq2 1.6.3 package, implemented in R version 3.5.1 software. The differentially expressed transcripts and genes were termed to as DETs and DEGs, respectively. A total of 927 DETs and 516 DEGs were identified (FDR≤0.01) and both were annotated using similarity search. The DETs and DEGs identified are mainly related to the biosynthetic pathways of jasmonic acid (JA), ethylene (ET), defense proteins, photosynthesis and sugar/carbon metabolism. In general, RB867515 demonstrated a higher regulation of JA, ET, and defense protein genes, as well as a more expressive down-regulation of pathways involved in photosynthesis and sugar/carbon metabolism. The results will allow the study of the resistance mechanisms of sugarcane against D. saccharalis and the selection of new targets for breeding to obtain resistant cultivars.

A broca-da-cana (Diatraea saccharalis) é uma ameaça a produtividade da cana-de- açúcar. A obtenção de variedades tolerantes a D. saccharalis é uma alternativa ao controle da praga. Embora existam estudos sobre a relação entre a interação da broca com a cana-de-açúcar, pouco se conhece sobre os mecanismos moleculares que conferem tolerância às variedades de cana contra a broca. O objetivo deste trabalho foi caracterizar o perfil transcricional de genótipos de cana-de-açúcar em resposta à infestação com a broca e identificar transcritos e genes diferencialmente expressos. Para isso, foram analisadas duas variedades de cana-de-açúcar, RB867515 e SP80-3280, consideradas tolerantes e sensíveis ao ataque da broca, respectivamente. O experimento foi conduzido em DIC, com três repetições, em casa-de-vegetação. Plantas individuais com 2 meses de cultivo foram infestadas com 20 larvas (3° - 4° ínstar). O material vegetal foi coletado após 12 horas da infestação com a broca para a extração do RNA total, que foi encaminhado para o sequenciamento usando o Illumina HighSeq 2500. A expressão diferencial foi analisada através da abundância de reads por transcrito/gene entre as plantas infestadas e o grupo controle usando os softwares KALLISTO versão 0.43.1 e STAR version 2.7.0a, tendo como referência para o alinhamento os transcritos do SUGIT (Sugarcane Iso-Seq Transcriptome) e genes do STP (Single Tiling Path). Os dados de abundância foram submetidos a análise de expressão diferencial usando o pacote DESeq2 1.6.3, implementado no software R versão 3.5.1. Os transcritos e genes diferencialmente expressos foram denominados de DETs (Differentially expressed transcripts) e DEGs (Differentially expressed genes), respectivamente. Foram identificados (FDR≤0.01) 927 DETs e 516 DEGs e ambos foram anotados usando pesquisas de similaridade. Os DETs e DEGs estão principalmente relacionados a vias do ácido jasmônico (JA), etileno (ET), proteínas de defesa, fotossíntese e metabolismo de açúcares/carbono. De forma geral, observou-se na variedade RB867515 uma maior regulação de vias do JA, ET e proteínas de defesa, assim como uma maior “down” regulação de vias fotossintéticas e do metabolismo de açúcares/carbono. Os resultados permitirão o estudo de mecanismos de resistência da cana-de-açúcar contra a broca e a seleção de novos alvos para o melhoramento e obtenção de cultivares resistentes.