A cana-de-açúcar é uma das culturas mais importantes para a agricultura brasileira. Ela é matéria prima para vários produtos como açúcar, etanol e biopolímeros. Dentre as doenças que mais podem prejudicar o cultivo dessa planta, está o carvão-da-cana causado pelo fungo Sporisorium scitamineum. Para se desenvolver e reproduzir, esse patógeno sequestra o metabolismo da planta, causando uma grande mudança em seu perfil transcricional e proteico, diminuindo sua taxa de conversão de açúcar e crescimento. O principal sinal dessa doença é a formação de uma estrutura chamada chicote, formado por teliósporos e tecidos da planta. Ela, por outro lado, desenvolveu um complexo sistema imune capaz de detectar e gerar respostas de defesa contra o patógeno. Para tal, a planta secreta uma série de compostos que incluem as proteínas relacionadas à patogênese (PR). As proteínas PR são subdivididas em 17 famílias diferentes conforme a semelhança de função e sequência. Quatro famílias de PR (PR3/4/8/11) são formadas por proteínas capazes de digerir a quitina da parede celular fúngica chamadas de quitinases. Essas proteínas são importantes para o sistema imune da planta porque, dentre outros mecanismos, elas liberam quitoligossacarídeos a partir da quebra da quitina que são reconhecidos por receptores de membrana. O reconhecimento dessas moléculas leva ao desencadeamento de respostas como liginificação e espessamento da parede celular vegetal, produção de espécies reativas de oxigênio e morte celular programada. Devido genoma poliploide altamente complexo da cana, caracterizar a entender a função dessas proteínas no contexto da interação cana-carvão é uma tarefa complexa. Isto posto, este trabalho buscou avaliar a variabilidade das quitinases de cana-de-açúcar presentes em um banco de transcriptoma montados de novo, e investigar seu perfil de expressão durante a infecção por Sporisorium scitamineum em duas variedades diferentes (SP80-3280 e IAC 6-66). Foram identificados no banco 16 transcritos que se dividem filogeneticamente em duas famílias com domínios glicosil-hidrolase (GH) diferentes (GH18 e GH19), mais uma família com domínio Barwin. Essas das famílias GH se subdividiram em outras cinco classes (IV) com base em sua estrutura. A análise dos resíduos catalíticos encontrou que seis deles não apresentam o glutamato responsável pela atividade catalítica da enzima. Foi realizada também a predição estrutura tridimensional de seis quitinases através do AlphaFold2. Essa predição revelou que as quitinases de cana seguem as estruturas descritas de quitinases de outras plantas. Após isso, uma quitinase de classe I foi escolhida para uma simulação de interação com o candidato a efetor (CE) g5159 usando o AlphaFold-Multimer. Na simulação foi observado que o CE provavelmente apresenta dois domínios de desordem intrínseca e que um deles participa da interação que bloqueia o sulco catalítico da quitinase. Finalmente, a análise da expressão dessas proteínas em plantas infectadas mostrou que há uma modulação do perfil transcricional das quitinases de cana pelo fungo.

Sugarcane is one of the most important crops in Brazilian agriculture. It is a raw material for various products such as sugar, ethanol, and biopolymers. Sugarcane smut, caused by the fungus Sporisorium scitamineum, is a major disease that can lead to significant losses in this crop. In order to develop and reproduce, this pathogen hijacks the plant's metabolism, causing significant changes in its transcriptional and proteic profiles and reducing its sugar conversion rate and growth. The main sign of this disease is the development of a whip-like structure that consists of teliospores and plant tissues. On the other hand, the plant has evolved a complex immune system capable of detecting pathogens and inducing defense responses. The plant secretes a series of compounds that include pathogenesis-related (PR) proteins. PR proteins are subdivided into 17 different families based on their function and sequence similarity. Four PR families (PR3/4/8/11) are composed of proteins capable of digesting the chitin in the fungal cell wall, called chitinases. These proteins are important for the plant's immune system since they break down chitin releasing chitooligosaccharides, which are recognized by apoplast receptors. Recognition of molecular patterns triggers defense responses such as lignification, thickening of the plant cell wall, production of reactive oxygen species, and programmed cell death. The intricate polyploid genome of sugarcane makes it challenging to characterize and comprehend the function of these proteins in the sugarcane-smut disease interaction. Therefore, this study aimed to evaluate the variability of sugarcane chitinases present in a de novo assembled transcriptome database. The expression profile during Sporisorium scitamineum infection in two contrasting varieties (SP80-3280 and IAC 6-66) was also investigated. Sixteen putative chitinase transcripts were identified in the transcriptome database. They were phylogenetically divided into two families with different glycosyl hydrolase (GH) domains (GH18 and GH19), plus one family with a Barwin domain. These GH families were further subdivided into five classes (IV) based on their sequence similarity. Analysis of the catalytic residues found that six of them lack the glutamate responsible for the catalytic activity of the enzyme. Three-dimensional structure prediction of six chitinases was also performed using AlphaFold2. In general, this prediction revealed that sugarcane chitinases follow the structure pattern observed in other plants. Subsequently, a class I chitinase was selected to simulate its interaction with the candidate effector (CE) g5159 using AlphaFold-Multimer. This simulation revealed that the CE likely has two domains of intrinsic disorder, and one of them participates in the interaction blocking the chitinase's catalytic groove. Finally, the analysis of the expression of these proteins in infected plants showed that there is a modulation of the transcriptional profile of sugarcane chitinases by the fungus.