Sugarcane is one of the most valuable industrial and agricultural cash crops, currently being grown in more than 100 countries across the globe, and also contributes significantly to the Brazilian economy. Sugarcane smut disease caused by basidiomycete biotrophic fungi Sporisorium scitamineum is a prominent threat for sugarcane, costing up to 80% of the yield, and in turn, have a major economic impact. Therefore, unraveling components of molecular crosstalk between smut fungi and sugarcane is imperative to find a solution to manage this disease and protect the livelihoods of farmers worldwide. This work aimed to contribute to this cause by understanding the correlation of smut fungi and the flowering pathway in sugarcane. In the first chapter, the current understanding of the flowering pathway in the model plant Arabidopsis thaliana and the correlation between smut fungi with flowering pathways was reviewed. Smut fungi are biotrophic in nature and generally infect grass species, and some of the smut fungi species have been demonstrated to modulate the floral structures of the host plants and interfere with the flowering pathway to survive and reproduce. Since Sugarcane is also a grass species, we hypothesized the existence of a similar mechanism in the sugarcane smut fungi pathosystem. This is why we embarked on this journey to understand this correlation by studying sugarcane- smut interaction at a molecular level by specifically focusing on the components of the flowering pathway. In the second chapter, we used RNASeq to generate transcriptional profiling of smut-resistant (SP80-3280) and smut-susceptible (IAC66-6) genotypes 48 hours after inoculation with smut fungi and also constructed co-expression networks to study the effect of smut fungus infection on the expression levels of putative orthologs of flowering genes in sugarcane. Our data unraveled that the smut fungus elicits an antagonistic expression pattern of flowering genes in two sugarcane genotypes with contrasting levels of smut tolerance. Transcriptional profiling and co-expression networks of the smut resistant genotype suggest the repression of flowering pathway, and on the contrary, the data from the smut-susceptible genotype suggest that smut fungus induces the activation of flowering pathway. Our results also indicated the potential epigenetic regulation at play in the sugarcane-smut pathosystem. Plants, in general, accelerate the floral transitioning process under stress conditions to reproduce before it succumbs to the stress, and our results specifically from the susceptible genotype suggest that potentially, a similar mechanism exists in sugarcane as well. In the third chapter, based on these results, we conducted an exploratory study to evaluate the influence of a known flowering repressor, ethephon, in sugarcane-smut interaction at a physiological and molecular level. No physiological impact on the smut disease progression or whip developmental process was observed due to ethephon treatment in time-points analyzed. The effect of ethephon on candidate flowering genes varied depending on the genotype and the developmental stage. Ethephon seems to potentially have the ability to modulate the expression behavior of candidate flowering genes independently of the fungus as all the candidate flowering genes tested had lower expression levels in ethephon treated samples compared to the untreated ones in the susceptible genotype. For the first time, this study has provided an in-depth analysis of correlation of flowering-related genes in the sugarcane-smut pathosystem. It encourages the idea that the sugarcane smut fungus has the same modus operandi as other smut fungi species to interfere with flowering pathways for its own growth and reproduction purposes. This is the first study in the direction of depicting the shared components in flowering and smut whip development pathways and should encourage more detailed studies in future to unravel all the components in these two distinct genetic pathways. This information will help in finding better management solutions for the smut disease in sugarcane.

A cana-de-açúcar é uma das culturas de rendimento industrial e agrícola mais valiosas, sendo cultivada atualmente em mais de 100 países em todo o mundo, e também contribui significativamente para a economia brasileira. A doença do carvão da cana, causada pelo fungo biotrófico basidiomiceto Sporisorium scitamineum, é uma ameaça proeminente para a cana-de-açúcar, custando até 80% do rendimento e, por sua vez, tem grande impacto econômico. Portanto, desvendar os componentes do crosstalk molecular entre os fungos de carvão e a cana-de-açúcar é imperativo para encontrar uma solução para gerenciar essa doença e proteger os meios de subsistência dos agricultores em todo o mundo. Este trabalho teve como objetivo contribuir para estes estudos, entendendo a correlação dos fungos de carvão e a via de floração da cana-de-açúcar. No primeiro capítulo, a compreensão atual da via de floração na planta modelo Arabidopsis thaliana e a correlação dos fungos de carvão com a via de floração foi revisada. Os fungos de carvão são biotróficos por natureza e geralmente infectam espécies de gramíneas, sendo que algumas das espécies modulam as estruturas florais das plantas hospedeiras e interferem na via de floração para sobreviver e se reproduzir. Como a cana-de-açúcar também é uma espécie de gramínea, hipotetizamos a existência de um mecanismo semelhante no patossistema do fungo de carvão da cana-de-açúcar. Desta forma o objetivo geral deste trabalho é entender essa correlação estudando a interação cana-carvão em nível molecular, focando especificamente nos componentes da via de floração. No segundo capítulo, usamos RNASeq para gerar perfis transcricionais de genótipos resistentes (SP80- 3280) e suscetíveis ao carvão (IAC66-6) 48 horas após a inoculação com o fungo de carvão e utilizando redes de co-expressão estudamos o efeito da infecção do fungo em níveis de expressão de ortólogos putativos de genes de floração em cana-de- açúcar. Nossos dados revelaram que os fungos de carvão provocam um padrão de expressão antagônico de genes de floração em dois genótipos de cana-de-açúcar com níveis contrastantes de tolerância à doença. O perfil transcricional e as redes de co-expressão do genótipo resistente sugerem a repressão da via de floração e, ao contrário, os dados do genótipo suscetível ao carvão sugerem que o fungo induz a ativação da via de floração. Nossos resultados também indicaram a potencial regulação epigenética no patossistema da cana-de-açúcar. As plantas em geral aceleram o processo de transição floral sob condições de estresse para se reproduzir antes de sucumbirem ao estresse, e nossos resultados especificamente para o genótipo suscetível sugerem que potencialmente, um mecanismo semelhante também existe na cana-de-açúcar. No terceiro capítulo, com base nesses resultados, realizamos um estudo exploratório para avaliar a influência de um conhecido repressor de floração, o etefon, na interação cana-carvão em nível fisiológico e molecular. Nenhum impacto fisiológico na progressão da doença do carvão ou no processo de desenvolvimento do chicote foi observado devido ao tratamento com ethephon nos momentos avaliados. O efeito do ethephon nos genes candidatos à floração varia de acordo com o genótipo e o estádio de desenvolvimento, e o ethephon parece potencialmente ter a capacidade de modular o comportamento de expressão dos genes candidatos à floração independentemente do fungo, já que todos os genes candidatos à floração testados apresentaram menor expressão nas amostras tratadas com ethephon em comparação com as não tratadas no genótipo suscetível. Este estudo forneceu, pela primeira vez, uma análise aprofundada da correlação de genes relacionados ao florescimento no patossistema cana-de-açúcar e incentiva a ideia de que os fungos de carvão têm o mesmo modus operandi que outras espécies de fungos do carvão para interferir na via de floração para sua própria finalidade de crescimento e reprodução. Este é o primeiro estudo na direção de descrever os componentes compartilhados nas vias de desenvolvimento da floração e do chicote e deve encorajar estudos mais detalhados no futuro para desvendar todos os componentes nessas duas vias genéticas distintas. Essas informações ajudarão a encontrar melhores soluções de manejo para a doença do carvão na cana-de-açúcar.