Panorama genômico da estirpe semia 5079 (=CPAC 15) de Bradyrhizobium Japonicum, recomendada comercialmente para a cultura da soja (Glycine max (L) merr.)

Abstract

O processo de fixação biológica do nitrogênio atmosférico (FBN) com bactérias das espécies Bradyrhizobium japonicum e B. elkanii é fundamental para a viabilidade econômica da cultura da soja no Brasil. Com a expansão da cultura no País, no início dos anos 1960, também teve início um programa de seleção de estirpes adaptadas às condições ambientais e às cultivares nacionais e a estirpe SEMIA 5079 (=CPAC 15), pertencente à espécie B. japonicum, destacou-se por sua eficiência, competitividade e adaptação às condições ambientais estressantes, passando a ser utilizada em inoculantes comerciais desde 1992. Nesta última década, o seqüenciamento de alguns genomas de rizóbios permitiu obter grandes avanços no conhecimento da genética dessas bactérias, e este estudo teve por objetivo o seqüenciamento parcial do genoma da estirpe SEMIA 5079, visando a identificação de genes relacionados à capacidade saprofítica, à competitividade e à eficiência do processo de FBN. As leituras dos clones de bibliotecas do tipo "shotgun", construídas a partir do DNA total da SEMIA 5079, resultaram em uma cobertura real de 13,17 % do genoma, com um total de 1.371 CDSs ("coding sequences") anotadas, sendo 729 de função conhecida, 312 hipotéticas conservadas e 330 hipotéticas. A classificação funcional das CDSs pelo banco de dados COG ("Clusters of Orthologous Groups of proteins") mostrou genes putativos em quase todas as classes. Em relação ao banco KEGG ("Kyoto Encyclopedia of Genes e Genomes"), houve similaridade das seqüências anotadas na SEMIA 5079 com outros 71 organismos, e a maior similaridade foi constatada com a estirpe USDA 110 de B. japonicum, e com as estirpes BTAi1 e ORS278 de Bradyrhizobium sp. Quatorze transposases foram encontradas, a maioria relacionada a seqüências de inserção, indicativo de plasticidade elevada do genoma da SEMIA 5079; além disso, 4,54% das CDSs foram identificadas como genes parálogos, também relacionados à adaptação ambiental. Várias CDSs foram anotadas como genes que codificam proteínas relacionadas à nodulação, como os genes nodB, nodD2 e nodW e à FBN, como os genes nifE, fixP, fixQ, fixR e fixO, além de outras proteínas envolvidas no ciclo do N. No seqüenciamento parcial do genoma da estirpe SEMIA 5079, 5,76 % das CDSs válidas codificam enzimas que participam de quase todas as vias de biodegradação de xenobióticos, podendo representar um reservatório importante de genes com potencial biotecnológico.The biological nitrogen fixation (BNF) process with bacteria belonging to the species Bradyrhizobium japonicum and B. elkanii is crucial for the economical viability of the soybean crop in Brazil. A strain selection program began with the crop expansion in the earlier 1960s, aiming at the identification of bacteria adapted to the local environmental conditions and to the Brazilian cultivars; strain SEMIA 5079 (= CPAC 15) of B. japonicum was then recognized by its efficiency, competitiveness and adaptability to stressful environmental conditions, therefore it has been employed in commercial inoculants since 1992. Few rhizobial genomes were completly sequenced in the last decade, and allowed an impressive increase in the genetic knowledge of these bacteria. In this context, this study aimed at the partial sequencing of the genome of strain SEMIA 5079, searching for genes related to the saprophytic capacity, competitiveness and efficiency of the BNF process. The readings of shotgun libraries built with SEMIA 5079 total DNA resulted in a real covering of 13.17% of the genome, with a total of 1.371 CDSs (coding sequences) annotated, 729 with known functions, 312 classified as conserved hypothetical and 330 as hypothetical. The functional classification of the CDSs in the database COG (Clusters of Orthologous Groups of proteins) identified putative genes in almost all classes. Furthermore, the comparison with strain USDA 110 of B. japonicum, sequenced in 2002 by Japanese researchers, has also demonstrated similar percentages of CDSs classified in the categories of COG, an important indication to support the strategy of partial genome sequencing of a bacterium. In relation to the KEGG (Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes) database, the CDSs of SEMIA 5079 have shown similarity with the sequences of 71 other organisms, but in a higher number with B. japonicum strain USDA 110, and with Bradyrhizobium sp. strains BTAi1 and ORS278. Fourteen transposases were found, most related to insertion sequences, indicating high plasticity of the genome of SEMIA 5079; furthermore, 4.54% of the CDSs were classified as paralog genes, also favoring environmental adaptation. Several CDSs were annotated as genes that codify proteins related to the nodulation, as nodB, nodD2 and nodW genes, and to the BNF, as nifE, fixP, fixQ, and fixR genes, in addition to other proteins involved in the cycle of N. The partial sequencing of the genome of strain SEMIA 5079 has also identified 5.76% of CDSs participating in almost all pathways of xenobiotic biodegradation, and might represent a reservoir of important genes with biotechnological potential