Vulnerability indices to erosion of beaches of Ilha de Itamaracá, coastal north Pernambuco, Brazil

As praias do Forte Orange, Pilar e Jaguaribe estão localizadas a 50 km ao norte da cidade do Recife, no município da Ilha de Itamaracá. Nas últimas décadas apresentou um rápido crescimento urbano, ligado principalmente às atividades turísticas da orla. As construções irregulares e empreendimentos turísticos na zona da pós-praia diminui a capacidade de transporte dos sedimentos, e sua deposição no sistema praial interferindo na morfodinâmica do ambiente e, assim, promove a instalação da erosão marinha. O estudo teve como objetivo identificar e avaliar através de índices quantitativos e qualitativos o grau de vulnerabilidade à erosão costeira. Para isto foi levado em consideração as atividades humanas e as características naturais da praia. A metodologia foi realizada a partir do mapeamento de toda a orla. Identificou-se cada setor, por células e os índices do grau de vulnerabilidade foram definidos como: alto, médio e baixo. No setor 1 (Sul) observou-se um grau moderado de vulnerabilidade à erosão, este apresentou uma pós-praia desenvolvida com certa tendência a progradação. O setor 2 (Centro) recebeu um alto grau de vulnerabilidade, onde parte da pós-praia foi totalmente ocupada, apresentou estruturas rígidas de proteção à costa. O setor 3 (Norte) recebeu também alto grau de vulnerabilidade, este setor apresentou boa parte da pós-praia ocupada com construções inadequadas e um pequeno trecho deste ambiente desenvolvido, com tendência a progradação. A identificação de setores por meio do grau de vulnerabilidade mostrou ser uma importante ferramenta de análise e fornece subsídios a política públicas e ao gerenciamento costeiro.Forte Orange, Pilar and Jaguaribe beaches are located on Itamaracá Island, 50 km North of Recife. In the last few decades these beaches have experienced rapid urban growth, connected to the tourism activities in the area. The irregular constructions and the tourist business in the area have decreased sediment transport capacity, along with its deposition in the beach system. This interference in the beach system’s morph dynamics over the time, has caused erosion in the study area. This work aims to identify and analyze the degree of erosion vulnerability. Human activities and the beach’s natural characteristics were considered. During the mapping of the area sectors by cells were identified and vulnerability tables were assigned, defined as: high, medium and low. Sector 1 (South) presented a moderate degree of vulnerability to erosion, since it had a developed post-beach tending to progradation. Sector 2(Center) presented a high degree of vulnerability, where a large part of the post-beach was totally occupied, presenting only protection structure against erosion. Sector 3 (North) also presented a high degree of vulnerability, a large part of this sector has the post-beach totally occupied by inappropriate buildings (bars and residences), and a small part of this area has been developed tending to progradation. Therefore, the sector identification through these quantitative and semi qualitative indices proved to be an important tool, being one more subsidy to the coastal management

A Regulatory Circuit Integrating Stress-Induced with Natural Leaf Senescence

Any condition that disrupts the ER homeostasis activates a cytoprotective signaling cascade, designated as the unfolded protein response (UPR), which is transduced in plant cells by a bipartite signaling module. Activation of IRE1/bZIP60 and bZIP28/bZIP17, which represent the bipartite signaling arms and serve as ER stress sensors and transducers, results in the upregulation of ER protein processing machinery-related genes to recover from stress. However, if the ER stress persists and the cell is unable to restore ER homeostasis, programmed cell death signaling pathways are activated for survival. Here, we describe an ER stress-induced plant-specific cell death program, which is a shared response to multiple stress signals. This signaling pathway was first identified through genome-wide expression profile of differentially expressed genes in response to combined ER stress and osmotic stress. Among them, the development and cell death domain-containing N-rich proteins (DCD/NRPs), NRP-A and NRP-B, and the transcriptional factor GmNAC81 were selected as mediators of cell death in plants. These genes were used as targets to identify additional components of the cell death pathway, which is described here as a regulatory circuit that integrates a stress-induced cell death program with leaf senescence via the NRP-A/NRP-B/GmNAC81:GmNAC30/VPE signaling module

Modulação transcricional e caracterização de fatores de transcrição específicos de plantas em respostas a estresses abióticos

Transcription factors (TFs) are key regulators of gene expression in cells. Due to their functional plasticity and their role as pivotal players in controlling gene expression according to the environment, they may be considered hot spots to decipher the mechanisms of plant responses to multiple stresses and suitable targets for biotechnological intervention and development of adapted plants. Several plant TF families have been implicated in stress responses, including NAC, MYB, WRKY, and bZIP. The present work explores the functionality of Arabidopsis AREB-1, a well- characterized bZIP TF in drought stress response and physiological adaptation, and the soybean NAC superfamily and members associated with the control of multiple stress responses and senescence. In the first chapter, we introduced a new strategy of transcription modulation of AREB-1 by CRISPR/dCas9 in Arabidopsis for tolerance to drought. The following chapters deal with new insights toward GmNAC superfamily and functional studies of GmNAC065 and GmNAC085 based on genome- and transcriptome-wide analyses in soybean and a reverse genetics approach in Arabidopsis. Using the CRISPR activation (CRISPRa) technique, an inactive nuclease dCas9 was fused with a histone acetyl-transferase 1 (AtHAT1), optimizing gene expression via chromatin remodeling. The CRISPRa-mediated AREB1 overexpression promoted an improvement in the physiological performance of the transgenic plants under 30 days of water deprivation. The enhanced drought tolerance phenotype was associated with increased chlorophyll content, antioxidant enzyme activity, and soluble sugar content, with consequent lower reactive oxygen species (ROS) accumulation. Finally, we demonstrated that the up-regulation of AREB1 positively changed the transcription of downstream ABA-inducible genes involved in adaptive response and promoted a better plant performance under drought, validating CRISPRaas a biotechnological tool to improve specific plant traits.The NAC genes encode TFs involved in the control of plant morph-physiology and stress responses. The last soybean genome assembly (Wm82.a2.v1) raised the possibility of new NAC genes onthe soybean genome. In thisinvestigation, we identified 32 putative novel NAC genes, updating the superfamily to 180 gene members, clustered in15 phylogenetic subfamilies. We showed that 40% of the GmNACsare differentially regulated by developmental senescence. GmNAC065 and GmNAC085 display contrasting gene expression profiles in multiple stress responses and induce symptoms of leaf senescence to a different extent when transiently expressed in N. benthamiana, suggesting a divergent role of these genes. Subsequently, the soybean genome was interrogated for developmental and environmental senescence- associated genes (SAGs) belonging to the NAC superfamily. Using functionally characterized Arabidopsis SAGs as prototypes, we identified the putative NAC-SAGs in soybean, including GmNAC065 and GmNAC085, whose functions in multiple stress responses and senescence were further investigated in soybean and Arabidopsis transgenic lines. The ectopic expression of GmNAC065 in Arabidopsis leads to a delayed-senescence phenotype, with enhanced oxidative performance under multiple stresses and lower stress-induced PCD. The GmNAC085-expressing lines displayed an opposite phenotype leading to the up-regulation of several downstream SAGs in Arabidopsis, further demonstrating their divergent roles in stress responses and PCD. Finally, if we are to use soybean as a model system for genetic studies and development of new cultivars, we need to develop an efficient protocol for soybean transformation and regeneration. The final chapter of this work proposes a new methodology for soybean genetic transformation combining biolistic and Agrobacterium-mediated DNA delivery. We developed a one-step protocol for transgenic soybean recovery in approximately 30 - 40 weeks more cost-effectively and straightforwardly exploring the high regenerative capacity of shoot-apex cells in the embryonic axis. The protocol allows the direct co-cultivation and plant regeneration, avoiding contamination generated by excessive tissue-manipulation, demanded in other protocols. Therefore, we are now better positioned to translate the fundamental studies developed in this investigation into biotechnological traits to get superior crops. Keywords: Trans-acting factors. Modern crop breeding. Environmental stresses. Senescence. Plant genetic engineering.Fatores de transcrição (FTs) são reguladores centrais da expressão gênica nas células. Devido à sua plasticidade funcional e ao seu papel como protagonistas no controle da expressão gênica de acordo com o ambiente, podem ser considerados hot spots para decifrar os mecanismos de resposta das plantas a múltiplos estresses e alvos adequados para intervenção biotecnológica e desenvolvimento de plantas adaptadas. Diversas famílias de fatores de transcrição de plantas são relacionados as respostas ao estresse, incluindo NAC, MYB, WRKY e bZIP. O presente trabalho explora a funcionalidade de AREB-1, um FT da família bZIP em Arabidopsis, extensivamente caracterizado caracterizado nas adaptações fisiológicas em resposta ao estresse hídrico, além da superfamília NAC de soja e seus membros associados ao controle de respostas múltiplas ao estresse e senescência. No primeiro capítulo, apresentamos uma nova estratégia de modulação da transcrição de AREB-1 por CRISPR/dCas9 em Arabidopsis para tolerância à seca. Os capítulos a seguir lidam com novas idéias acerca da superfamília GmNAC e estudos funcionais de GmNAC065 e GmNAC085 com base em análises genômicas e transcritômicas, além de uma abordagem de genética reversa em Arabidopsis. Utilizando a técnica de ativação CRISPR (CRISPRa), uma nuclease inativa dCas9 foi fundida com uma histona acetil-transferase 1 (AtHAT1), otimizando a expressão gênica via remodelação da cromatina. A superexpressão de AREB1 mediada por CRISPRa promoveu uma melhora no desempenho fisiológico das plantas transgênicas em 30 dias de privação de água. O fenótipo de maior tolerância à seca foi associado ao aumento do conteúdo de clorofila, atividade de enzimas antioxidantes e conteúdo de açúcar solúvel, com consequente menor acúmulo de espécies reativas de oxigênio (EROS). Finalmente, demonstramos que a regulação positiva de AREB1 alterou positivamente a transcrição de genes induzíveis ABA downstream envolvidos na resposta adaptativa e promoveu um melhor desempenho da planta sob seca, validando o CRISPRa como uma ferramenta biotecnológica para melhorar características específicas desejáveis em plantas. Os genes NAC codificam TFs envolvidos no controle damorfofisiologia da planta e respostas ao estresse. A última montagem do genoma da soja (Wm82.a2.v1) levantou a possibilidade de novos genes NAC no genoma da soja. Nesta investigação, identificamos 32 novos genes NAC putativos, atualizando a superfamília para 180 membros de genes, agrupados em 15 subfamílias filogenéticas. Mostramos que 40% dos GmNACs são regulados diferencialmente pela senescência do desenvolvimento. GmNAC065 e GmNAC085 apresentam perfis de expressão gênica contrastantes em múltiplas respostas de estresse e induzem sintomas de senescência foliar em diferentes extensões quando expressos transientemente em N. benthamiana, sugerindo um papel divergente para esses genes. Posteriormente, o genoma da soja foi interrogado para genes associados à senescência desencadeada por estresse e de desenvolvimento (SAGs) pertencentes à superfamília NAC. Usando SAGs de Arabidopsis funcionalmente caracterizados como protótipos, identificamos os NAC- SAGs putativos em soja, incluindo GmNAC065 e GmNAC085, cujas funções em múltiplas respostas ao estresse e senescência foram investigadas em soja e linhagens transgênicas de Arabidopsis. A expressão ectópica de GmNAC065 em Arabidopsis leva a um fenótipo de senescência retardada, com desempenho oxidativo aprimorado sob estresse múltiplo e menor morte celular induzida por estresse. As linhas que expressam GmNAC085 exibiram um fenótipo oposto levando à regulação positiva de vários SAGs, reforçando ainda mais seus papéis divergentes nas respostas ao estresse e morte celular programada. Finalmente, se quisermos usar a soja como sistema modelo para estudos genéticos e desenvolvimento de novas cultivares, precisamos desenvolver um protocolo eficiente para a transformação e regeneração da soja. O capítulo final deste trabalho propõe uma nova metodologia para a transformação genética da soja combinando a biolística e a transformação mediada por Agrobacterium. Desenvolvemos um protocolo de uma etapa para a recuperação da soja transgênica em aproximadamente 30 a 40 semanas de maneira mais econômica e explorando de forma direta a alta capacidade regenerativa das células do meristema apical no eixo embrionário. O protocolo permite o co-cultivo direto e a regeneração da planta, evitando a contaminação gerada pela excessiva manipulação de tecidos, exigida em outros protocolos. Portanto, estamos agora mais bem preparados para transpor os estudos fundamentais desenvolvidos nesta investigação em produtos biotecnológicos na obtenção de cultivares superiores. Palavras-chave: Fatores de transcrição. Melhoramento moderno de plantas. Estresses ambientais. Senescência. Engenharia genética de plantas.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superio

Revisitng the NAC superfamily in soyben genome: identification and characterization of novel members

A recente liberação de uma nova anotação do genoma da soja (Glycine max) levantou a possibilidade da existência de novos genes pertencentes à superfamília NAC (NAM, ATAF e CUC). Os genes NAC codificam fatores de transcrição envolvidos no controle da morfofisiologia dos vegetais e nas respostas aos estresses ambientais. Neste trabalho, nós realizamos a revisitação do genoma da soja e o confrontamos com a estrutura altamente conservada do domínio NAC na busca de genes ainda não descritos na literatura. Nossa varredura identificou 32 novos genes candidatos, atualizando a superfamília para 180 membros. Também reaizamos uma análise filogenética e agrupamos todos os genes em cinco grandes subfamílias, baseado na ortologia com genes de Arabidopsis thaliana e na proximidade filogenética com genes de soja cujas funções já foram caracterizadas. Por fim, procedeu-se à clonagem de três representantes da superfamília, sendo dois já descritos e um membro novo, que foi avaliado quanto à sua localização nuclear e sua capacidade de transativação em leveduras. Para validar as análises in silico da presença de novos genes NAC no genoma da soja e sua relação com respostas fisiológicas, quatro genes tiveram seus perfis de expressão gênica em condições de estresse monitorados por qRT-PCR, sendo que três deles eram novos membros encontrados nesta investigação. Estes resultados forneceram evidências de que os novos genes são provavelmente expressos e fundamentaram um inventário mais completo da superfamília de NAC da soja para futuras análises.The release of a new soybean (Glycine max) genome-annotation raised the possibility that new NAC-superfamily genes would be present in soybean genome. The NAC (NAM, ATAF and CUC) genes encode transcription factors involved with the control of normal plant morphophysiology and stress responses. Here, we interrogated the newly annotated soybean genome against a conserved NAC- domain structure. Our data show 32 putative novel NAC-gene members, updating the superfamily to 180 gene members. We also organized the genes in five phylogenetic groups, according to the functions of orthologous Arabidopsis thaliana genes and NAC soybean genes. Finally, we cloned three gene members: two gene members already described and a new gene, which was characterized regarding to its nuclear localization and transactivation capacity. To validate our in silico analyses, we monitored the gene-expression profiles of three new NAC- genes by qRT-PCR. These data provided evidence that the new genes are probably expressed and established a more complete framework of the soybean NAC superfamily for future analyses.Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológic

Senescence-Associated Glycine max (Gm)NAC Genes: Integration of Natural and Stress-Induced Leaf Senescence

Leaf senescence is a genetically regulated developmental process that can be triggered by a variety of internal and external signals, including hormones and environmental stimuli. Among the senescence-associated genes controlling leaf senescence, the transcriptional factors (TFs) comprise a functional class that is highly active at the onset and during the progression of leaf senescence. The plant-specific NAC (NAM, ATAF, and CUC) TFs are essential for controlling leaf senescence. Several members of Arabidopsis AtNAC-SAGs are well characterized as players in elucidated regulatory networks. However, only a few soybean members of this class display well-known functions; knowledge about their regulatory circuits is still rudimentary. Here, we describe the expression profile of soybean GmNAC-SAGs upregulated by natural senescence and their functional correlation with putative AtNAC-SAGs orthologs. The mechanisms and the regulatory gene networks underlying GmNAC081- and GmNAC030-positive regulation in leaf senescence are discussed. Furthermore, new insights into the role of GmNAC065 as a negative senescence regulator are presented, demonstrating extraordinary functional conservation with the Arabidopsis counterpart. Finally, we describe a regulatory circuit which integrates a stress-induced cell death program with developmental leaf senescence via the NRP-NAC-VPE signaling module

Abiotic Stresses in Plants and Their Markers: A Practice View of Plant Stress Responses and Programmed Cell Death Mechanisms

Understanding how plants cope with stress and the intricate mechanisms thereby used to adapt and survive environmental imbalances comprise one of the most powerful tools for modern agriculture. Interdisciplinary studies suggest that knowledge in how plants perceive, transduce and respond to abiotic stresses are a meaningful way to design engineered crops since the manipulation of basic characteristics leads to physiological remodeling for plant adaption to different environments. Herein, we discussed the main pathways involved in stress-sensing, signal transduction and plant adaption, highlighting biochemical, physiological and genetic events involved in abiotic stress responses. Finally, we have proposed a list of practice markers for studying plant responses to multiple stresses, highlighting how plant molecular biology, phenotyping and genetic engineering interconnect for creating superior crops

Índices de vulnerabilidade à erosão das praias da Ilha de Itamaracá, litoral norte de Pernambuco, Brasil

Forte Orange, Pilar and Jaguaribe beaches are located on Itamaracá Island, 50 km North of Recife. In the last few decades these beaches have experienced rapid urban growth, connected to the tourism activities in the area. The irregular constructions and the tourist business in the area have decreased sediment transport capacity, along with its deposition in the beach system. This interference in the beach system’s morph dynamics over the time, has caused erosion in the study area. This work aims to identify and analyze the degree of erosion vulnerability. Human activities and the beach’s natural characteristics were considered. During the mapping of the area sectors by cells were identified and vulnerability tables were assigned, defined as: high, medium and low. Sector 1 (South) presented a moderate degree of vulnerability to erosion, since it had a developed post-beach tending to progradation. Sector 2(Center) presented a high degree of vulnerability, where a large part of the post-beach was totally occupied, presenting only protection structure against erosion. Sector 3 (North) also presented a high degree of vulnerability, a large part of this sector has the post-beach totally occupied by inappropriate buildings (bars and residences), and a small part of this area has been developed tending to progradation. Therefore, the sector identification through these quantitative and semi qualitative indices proved to be an important tool, being one more subsidy to the coastal management.As praias do Forte Orange, Pilar e Jaguaribe estão localizadas a 50 km ao norte da cidade do Recife, no município da Ilha de Itamaracá. Nas últimas décadas apresentou um rápido crescimento urbano, ligado principalmente às atividades turísticas da orla. As construções irregulares e empreendimentos turísticos na zona da pós-praia diminui a capacidade de transporte dos sedimentos, e sua deposição no sistema praial interferindo na morfodinâmica do ambiente e, assim, promove a instalação da erosão marinha. O estudo teve como objetivo identificar e avaliar através de índices quantitativos e qualitativos o grau de vulnerabilidade à erosão costeira. Para isto foi levado em consideração as atividades humanas e as características naturais da praia. A metodologia foi realizada a partir do mapeamento de toda a orla. Identificou-se cada setor, por células e os índices do grau de vulnerabilidade foram definidos como: alto, médio e baixo. No setor 1 (Sul) observou-se um grau moderado de vulnerabilidade à erosão, este apresentou uma pós-praia desenvolvida com certa tendência a progradação. O setor 2 (Centro) recebeu um alto grau de vulnerabilidade, onde parte da pós-praia foi totalmente ocupada, apresentou estruturas rígidas de proteção à costa. O setor 3 (Norte) recebeu também alto grau de vulnerabilidade, este setor apresentou boa parte da pós-praia ocupada com construções inadequadas e um pequeno trecho deste ambiente desenvolvido, com tendência a progradação. A identificação de setores por meio do grau de vulnerabilidade mostrou ser uma importante ferramenta de análise e fornece subsídios a política públicas e ao gerenciamento costeiro

A novel soybean hairy root system for gene functional validation.

Agrobacterium rhizogenes-mediated transformation has long been explored as a versatile and reliable method for gene function validation in many plant species, including soybean (Glycine max). Likewise, detached-leaf assays have been widely used for rapid and mass screening of soybean genotypes for disease resistance. The present study combines these two methods to establish an efficient and practical system to generate transgenic soybean hairy roots from detached leaves and their subsequent culture under ex vitro conditions. We demonstrated that hairy roots derived from leaves of two (tropical and temperate) soybean cultivars could be successfully infected by economically important species of root-knot nematodes (Meloidogyne incognita and M. javanica). The established detached-leaf method was further explored for functional validation of two candidate genes encoding for cell wall modifying proteins (CWMPs) to promote resistance against M. incognita through distinct biotechnological strategies: the overexpression of a wild Arachis α-expansin transgene (AdEXPA24) and the dsRNA-mediated silencing of an endogenous soybean polygalacturonase gene (GmPG). AdEXPA24 overexpression in hairy roots of RKN-susceptible soybean cultivar significantly reduced nematode infection by approximately 47%, whereas GmPG downregulation caused an average decrease of 37%. This novel system of hairy root induction from detached leaves showed to be an efficient, practical, fast, and low-cost method suitable for high throughput in root analysis of candidate genes in soybean