Orientador: Renato Vicentini dos SantosDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de BiologiaResumo: Em vista das mudanças climáticas, estão previstas mudanças no regime pluviométrico de todo o globo, causando seca em determinadas regiões e aumento de chuvas em outras. Nesse sentido, plantas de grande interesse comercial como a cana-de-açúcar devem ser alvo de pesquisas em busca de maior produtividade e de maiores condições de adaptação frente às futuras alterações do clima. É sabido que os microrganismos que se desenvolvem próximos à raiz das plantas, ou na chamada rizosfera, podem influenciar o crescimento e desenvolvimento destas através de uma variedade de mecanismos, como por exemplo a promoção da mobilização de nutrientes, aumento da absorção de minerais, estímulo ao crescimento vegetal e supressão de patógenos. Dessa forma, esse estudo utilizou métodos de bioinformática para analisar os dados gerados no sequenciamento em larga escala do metatranscriptoma da rizosfera de cana-de-açúcar submetida ao estresse hídrico. Ademais, foi caracterizado o perfil taxonômico e funcional da microbiota ativa, além de ter-se caracterizado a expressão gênica diferencial induzida pelo estresse hídrico e, finalmente, foram geradas redes de co-expressão gênica a partir dos dados obtidos. A montagem de novo do metatranscriptoma resultou em 316.958 contigs a partir dos quais foram preditas 405.547 ORFs. As análises da composição taxonômica do metatranscriptoma revelaram uma predominância dos filos Proteobacteria (52,2%), Actinobacteria (15,1%) e Bacteroidetes (10,6%). Os quatro gêneros mais abundantes que tiveram abundância relativa aumentada após a aplicação do estresse hídrico foram Actinomadura, Dongia, Sphingomonas e Vulgatibacter. A anotação funcional no SEED foi capaz de anotar 208.816 transcritos (51.5%) em 40 categorias funcionais diferentes. As categorias funcionais que apresentaram maior abundância no SEED foram aquelas responsáveis por processos essenciais dos micro-organismos, como por exemplo metabolismo de carboidratos, proteínas, aminoácidos, vitaminas e RNA. Foram descobertas três categorias do SEED com aumento de abundância após a aplicação do estresse hídrico, sendo elas relacionadas a degradação de proteínas para obtenção de energia (degradação de arginina e ornitina) e enzimas oxirredutases atuantes na cadeia respiratória aeróbia (succinato desidrogenase) e em processos fermentativos (cetoisovalerato oxirredutase). A análise da expressão gênica diferencial resultou em 43.716 transcritos diferencialmente expressos e demonstrou que foram down-regulados termos GO relacionados a regulação da respiração celular, biogênese de ribossomo, dobramento de proteína, endocitose, resposta ao estresse e tradução. Por outro lado, os principais termos GO enriquecidos nos transcritos up-regulados foram catabolismo de benzoato, montagem de flagelo e síntese de tRNA de pseudouridina. Além disso, foi gerada uma rede de co-expressão gênica a partir dos transcritos diferencialmente expressos que foi composta por 582 clusters e, através das análises dessa rede, pode-se observar que com a aplicação do estresse hídrico, houve um aumento da expressão de transcritos relacionados, por exemplo a auto proteólise, degradação de ácidos nucléicos e transporte de sideróforos. Os resultados obtidos nesse trabalho auxiliam na compreensão da diversidade taxonômica e funcional da rizosfera de cana-de-açúcar e os efeitos causados pelo estresse hídrico. Finalmente, este trabalho pode servir de base para o desenvolvimento de aplicações para o conhecimento aqui gerado, visando a adaptação e aumento da produtividade da cana-de-açúcar frente às previstas mudanças climáticas globaisAbstract: In view of climate changes, the pluviometric regime of the whole globe is expected to change, causing drought in certain regions and rainfall increase in others. In this sense, plants of great commercial interest such as sugarcane should be the subject of research in porsue of greater productivity and better adaptation conditions in the face of future climate changes. It is known that microorganisms that develop near the root of plants, or in the so-called rhizosphere, can influence the growth and development of plants through a variety of mechanisms, such as promoting the mobilization of nutrients, increasing mineral absorption, stimulating plant growth and suppressing pathogens. Thus, this study used bioinformatics methods to analyze data generated in large-scale sequencing of the sugarcane rhizosphere metatranscriptome subjected to water stress. In addition, the taxonomic and functional profile of the active microbiota was characterized, the differential gene expression induced by water stress was revealed, and finally, co-expression gene networks were generated from the data obtained. De novo assembly of the metatranscriptome resulted in 316,958 contigs from which 405,547 ORFs were predicted. The analysis of the taxonomic composition of the metatranscriptome revealed a predominance of the phyla Proteobacteria (52,2%), Actinobacteria (15,1%) and Bacteroidetes (10,6%). The four most abundant genera that had increased relative abundance after application of water stress were Actinomadura, Dongia, Sphingomonas and Vulgatibacter. The functional annotation in SEED was able to annotate 208,816 transcripts (51.5%) in 40 different functional categories. The functional categories that presented greater abundance in SEED were those responsible for essential microorganism¿s processes, such as carbohydrate, protein, amino acids, vitamins and RNA metabolism. Three SEED categories with an increase in abundance after the application of water stress were discovered, being related to the degradation of proteins to obtain energy (degradation of arginine and ornithine) and oxidizing enzymes acting in the aerobic respiratory chain (succinate dehydrogenase) and in fermentation processes (ketoisovalerate oxirreductase). Analysis of differential gene expression resulted in 43,716 differentially expressed transcripts and demonstrated that GO terms related to regulation of cellular respiration, ribosome biogenesis, protein folding, endocytosis, stress response and translation were down-regulated. On the other hand, the major GO terms enriched in up-regulated transcripts were benzoate catabolism, flagellum assembly, and pseudouridine tRNA synthesis. In addition, a gene co-expression network was generated from the differentially expressed transcripts which was composed of 582 clusters and, through the analyzes of this network, it could be observed that with the application of water stress, there was an increase in the expression of transcripts related to, for example, auto proteolysis, degradation of nucleic acids and transport of siderophores. The results obtained in this work help to understand the taxonomic and functional diversity of sugarcane rhizosphere and the effects caused by water stress. Finally, this work can be used as a basis for the development of applications for the knowledge generated here, aiming to adapt and increase the productivity of sugarcane in anticipation of global climate changeMestradoBioinformaticaMestre em Genética e Biologia Molecular2016/08994-3FAPES
