Análises de transcrição gênica em cianobactérias, como ferramenta para estudar suas relações com o ambiente
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Tese de doutorado
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Resumo
As cianobactérias representam um grande grupo dentro dos organismos
fitoplanctônicos. São organismos bastante diversos e principalmente em
ambientes eutrofizados, estão presentes em grande quantidade. Um dos
principais problemas relacionados a este grupo no ambiente aquático é a
produção de toxinas, que podem causar problemas tanto para os seres
humanos quanto para os organismos que vivem e dependem deste meio. Elas
também são capazes de produzir uma gama de metabólitos secundários,
muitos dos quais ainda com propriedades desconhecidas. As microcistinas são
hepatotoxinas produzidas por muitas espécies de cianobactérias e são
frequentemente encontradas nas florações tóxicas. Essa cianotoxina tem como
consequência principal hemorragia no fígado e, a longo prazo, são
consideradas promotoras de tumores. Nem todas as espécies de
cianobactérias são tóxicas, mas a característica de produção de toxina está
inscrita no genoma das produtoras, pela presença de genes mcy. Ainda não
está claro o porquê da produção de cianopeptídeos e cianotoxinas para as
cianobactérias e também se existem fatores ambientais que controlam esta
produção. Estudos com mutantes observaram algumas diferenças entre cepas
tóxicas e não tóxicas e alguns trabalhos indicaram pH, luminosidade, nutrientes
e temperatura como possíveis causas da variação observada na concentração
de toxinas nas células. O objetivo do presente trabalho foi avaliar o efeito de
fatores ambientais, tanto em laboratório quanto no ambiente natural, na
expressão dos genes mcyD e de outros cianopeptídeos. Medidas de expressão
de outros genes, ligados ao metabolismo de nitrogênio (ntcA), metabolismo do
fósforo (pstS), metabolismo do ferro (furN) e estresse oxidativo (perM), foram
mensurados no campo na tentativa de se verificar os fatores que poderiam ter
um efeito na produção dos cianopeptídeos pelas cianobactérias. Também, se
investigou a fração tóxica (produtora de microcistina) e não tóxica de
populações naturais de cianobactérias e a presença de alguns cianopeptídeos
no ambiente por meio de métodos moleculares. Para o estudo de laboratório,
foram utilizadas duas cepas de cianobactérias e realizados experimentos com
limitação pelos macronutrientes fósforo e nitrogênio. Para os estudos
ambientais foram coletadas oito amostras de um reservatório eutrofizado, lagoa
da Pampulha, e doze amostras de um reservatório considerado oligomesotrófico,
Volta Grande. Verificou-se a influência de parâmetros abióticos na
expressão gênica de vários dos genes estudados e também na produção de
microcistina. Sob condições de estresse, observamos, em laboratório, um
aumento da expressão do gene biossintético da microcistina e, no campo,
aumento da cianopeptolina. Os resultados obtidos neste estudo parecem
indicar que o estresse causado por mudanças nos parâmetros ambientais
possa induzir a produção de certos cianopeptídeos e que isso pode auxiliar, de
alguma forma, na aclimatação e sobrevivência das cianobactérias a fatores
desencadeadores de estresse. Possivelmente, este estudo contribuirá para
uma melhor compreensão sobre quais fatores estão ligados a regulação da
produção de microcistina e também sobre a função potencial dos
cianopeptídeos para a célula. Além do mais, poderá auxiliar futuras pesquisas
e procedimentos de controle de cianobactérias no ambiente.
Abstract
Cyanobacteria represent an important group among phytoplanktonic organisms.
They are very diverse and can be mainly found in highly eutrophic
environments. One of the main problems related to cyanobacteria is the
production of toxins that can be harmful for both of humans beings and aquatic
animals. Additionally, they are capable of producing a variety of secondary
metabolites with function is still unknown. Microcystins are hepatoxins produced
by many species of cyanobacteria and they are the main toxins found in toxic
blooms. They can cause liver hemorrhages and, in the long run, it seems that
they can induce tumors appearance. However not all cyanobacteria species are
toxic and this characteristic is found in the genome of toxics strains by the
presence of the mcy genes. Very little is known about the real function of the
cyanotoxins and about whether their production is controlled by environmental
factors. Some researches indicated pH, light, nutrients and temperature as
possible reasons for the variation of toxin production observed in the
environment. The purpose of this work was to evaluate in laboratory
experiments and in the environment, the effect of environmental factors in the
expression of the mcyD gene and others cyanopeptides. Furthermore,
measures of others genes, linked to nitrogen metabolism (ntcA), phosphorous
uptake (pstS), iron metabolism (furN) and oxidative stress (perM), were
performed in the field in an attempt to verify factors that could affect
cyanopeptides’ production in cyanobacteria. We also investigated the toxic and
non-toxic fractions of natural cyanobacteria populations and the presence of
some cyanopeptides, by mean of molecular methods. In the laboratory
experiments, two cyanobacteria strains were submitted to different levels of
phosphorus and nitrogen limitation. In the environmental studies, eigth samples
from an eutrophic reservoir, Pampulha, and twelve samples of the an
oligotrophic reservoir, Volta Grande, were collected. We observed that
environmental factors had an effect on the gene expression of several genes
tested and on microcystin production. Under stress conditions, we observed
higher production of two cyanopeptides, microcystin in the lab and
cyanopeptolin in the field. The results obtained in this study seem to indicate
that the stress caused by changes in environmental parameters can induce the
production of certain cyanopeptides and this could somehow help in the
process of acclimatization and survival of cyanobacteria to factors triggered by
stress. It is possible that this study will contribute to a better understanding
about which factors are associated with the regulation of microcystin production
and the potential function of the cyanopeptides for the cell. Moreover, this
research may give support to futures studies and procedures dealing with the
control of cyanobacteria populations in water bodies.
Assunto
Ecologia, Cianobactérias, Microcistinas, Expressão gênica
Palavras-chave
Cianobactérias, Cianopeptídeos, Microcistina, McyD, PCR quantitativa, Expressão gênica
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