Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1843/41656
Type: Tese
Title: Adaptações moleculares no desenvolvimento de Parkia platycephala e Stryphnodendron pulcherrimum em substratos de canga e resíduos de mineração
Authors: Mariana Costa Dias
First Advisor: Guilherme Corrêa de Oliveira
First Referee: Valesca Pandolfi
Second Referee: Priscila Grynberg
Third Referee: Rommel Thiago Juca Ramos
metadata.dc.contributor.referee4: Aristóteles Góes Neto
Abstract: Canga é o termo brasileiro utilizado para vegetação tipo savana que abriga várias espécies endêmicas localizadas em afloramentos rochosos ricos em ferro, frequentemente considerados para atividades de mineração. A legislação exige a reabilitação de áreas degradadas para minimizar os impactos ambientais. Apesar da urgente demanda por mineração sustentável, a revegetação e reabilitação de áreas degradadas pelas atividades de mineração permanecem desafiadoras. Parkia platycephala Benth. e Stryphnodendron pulcherrimum (Willd.) Hochr. ocorrem naturalmente nas cangas da Serra dos Carajás (leste da Amazônia, Pará, Brasil) e na floresta circundante, indicando elevada plasticidade fenotípica, e vêm sendo estudadas para recuperação de áreas de mineração. Os mecanismos morfológicos e fisiológicos do estabelecimento das plantas no ambiente da canga são bem estudados, mas as respostas moleculares adaptativas ainda não foram desvendadas. Nesse trabalho, os transcriptomas do tecido foliar de duas espécies de Fabaceae foram gerados e usados para caracterizar a plasticidade da expressão gênica e compreender os mecanismos genéticos adaptativos por trás do estabelecimento dessas plantas nos ambientes de canga e floresta. Além disso, examinamos o crescimento das espécies em substratos de resíduos de mineração para avaliar se a modulação da expressão gênica promove adaptação a esses substratos. Os resultados revelam mecanismos moleculares relevantes para a reabilitação de áreas, especialmente sob um clima em mudança, além de predizer o sucesso no estabelecimento das espécies. As plantas foram cultivadas em substratos de canga, mata e resíduos de mina coletados na Província Mineral de Carajás, Pará, Brasil. O RNA das folhas foi extraído e as bibliotecas produzidas foram sequenciadas na plataforma Illumina com sequências do tipo paired-end de 150 pares de base. Uma combinação de métodos foi utilizada para montar as reads geradas nos transcriptomas de referência de P. platycephala e S. pulcherrimum contendo 31.728 e 31.311 transcritos primários, respectivamente. Usando análises de expressão diferencial, identificamos respostas moleculares compartilhadas e específicas de cada espécie para o crescimento das plantas nos substratos de canga e mata, e nos substratos de estéril de mina. Nas análises espécie-específicas nos substratos de ocorrência natural, identificamos 1.112 e 838 genes diferencialmente expressos para P. platycephala e S. pulcherrimum, respectivamente. As análises de enriquecimento mostraram processos biológicos e vias metabólicas únicas alteradas para cada espécie. Ortólogos de cópia única compartilhados foram usados para a análise comparativa de expressão diferencial. Embora o padrão geral da expressão dos ortólogos seja espécie- específico, quase 300 genes foram identificados como diferencialmente expressos entre canga e mata respondendo da mesma forma nas espécies. Esses genes são funcionalmente associados à resposta a estímulos luminosos e à via do ritmo circadiano. O desempenho das espécies nos substratos de áreas degradadas também foi avaliado, indicando diferentes performances no desenvolvimento relacionadas às diferentes necessidades nutricionais entre elas. S. pulcherrimum apresentou respostas adaptativas relacionadas à limitação de fósforo nos substratos. P. platycephala teve mais sucesso no estabelecimento nos substratos de estéril, não apresentando alterações relacionadas a condições de estresse. Os genes ortólogos do ritmo circadiano também foram alterados de maneira similar nas duas espécies na resposta aos substratos de estéril. Nossos resultados sugerem que essas plantas são capazes de ajustar o ritmo circadiano de forma dependente do substrato. A modulação gênica do relógio circadiano pode ser um mecanismo central que regula o desenvolvimento das plantas de acordo com a disponibilidade de nutrientes nas espécies de leguminosas estudadas e pode ser compartilhado como um mecanismo comum para a compensação do estresse abiótico em outras espécies nativas. Este estudo mostra que as plantas estudadas possuem mecanismos comuns e específicos que viabilizam sua sobrevivência em ambientes tão distintos como a floresta e a canga. Os resultados contribuem para a melhoria de práticas de recuperação de áreas degradadas e a biologia de Fabaceae, especialmente em um cenário de mudanças climáticas.
Abstract: Canga is the Brazilian term for savanna-like vegetation harboring several endemic species on iron-rich rocky outcrops and often industrial mining activities. Environmental legislation demands the rehabilitation of degraded areas to minimize environmental impacts. Despite the urgent demand for sustainable mining, the revegetation and rehabilitation of areas degraded by mining activities remain challenging. Parkia platycephala Benth. and Stryphnodendron pulcherrimum (Willd.) Hochr. naturally occur in the cangas of Serra dos Carajás (eastern Amazonia, Brazil) and the surrounding forest, indicating high phenotypic plasticity, and have been studied for the recovery of mining areas. The morphological and physiological mechanisms of the plants’ establishment in the canga environment are well studied, but not the molecular adaptative responses. We constructed complete and accurate transcriptomes from the two Fabaceae species to characterize the gene expression plasticity and understand the adaptive genetic mechanisms behind the establishment in the canga and forest environments. Further, we examined the species growth in mine wastes to evaluate if the shift in the gene expression profile fosters acclimation. The results may reveal relevant molecular mechanisms for land rehabilitation, especially under a changing climate. Plants were grown in substrates of canga, an adjacent forest, and mine residues collected in the Carajás Mineral Province, Pará, Brazil. RNA was extracted from pooled leaf tissue. A combination of methods was utilized to assembly Illumina RNA-seq paired-end reads into two representative transcriptomes forP. platycephala and S. pulcherrimum containing 31,728 and 31,311 primary transcripts, respectively. We identified shared and species-specific molecular responses to the plants’ growth in the substrates using differential expression analysis. In the species-specific analysis on naturally occurring substrates, we identified 1,112 and 838 differentially expressed genes for P. platycephala and S. pulcherrimum, respectively. Enrichment analyses showed unique biological processes and metabolic pathways affected for each species. Comparative differential expression analysis was based on shared single-copy orthologs. The overall pattern of ortholog expression was species-specific. Even so, almost 300 genes were identified differentially expressed between plants in canga and forest substrates, responding the same way in both species. The genes were functionally associated with the response to light stimulus and the circadian rhythm pathway. We also evaluate the performance of the species on degraded area substrates, indicating different performances in the development related to different nutritional needs among them. S. pulcherrimum showed adaptive responses related to phosphorus limitation in substrates. P. platycephala was more successful in the mine waste substrates, showing no changes related to stress conditions. Orthologous circadian rhythm genes were also similarly changed in both species in response to the mine waste substrates. Our results suggest that plants can adjust the circadian rhythm in a substrate-dependent manner. The circadian clock gene modulation might be a central mechanism regulating the plants’ development according to nutrient availability in the studied legume species, shared as a common mechanism to abiotic stress compensation in other native species. This study demonstrates that the plants have common and specific mechanisms that enable their survival in distinct environments such as forest and canga. The results contribute to the enhancement of land rehabilitation practices and the biology of Fabaceae, especially in a climate-changing scenario.
Subject: Biologia Computacional
Savana
Mineração
Recuperação e Remediação Ambiental
Fabaceae
Expressão Gênica
Adaptação Fisiológica
Estresse Fisiológico
Transcriptoma
language: por
metadata.dc.publisher.country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
metadata.dc.publisher.department: ICB - INSTITUTO DE CIÊNCIAS BIOLOGICAS
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Bioinformatica
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/41656
Issue Date: 15-Dec-2021
Appears in Collections:Teses de Doutorado

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