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Doctoral Thesis
DOI
https://doi.org/10.11606/T.17.2021.tde-07022022-144004
Document
Author
Full name
Natália Gonçalves Takahashi
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
Ribeirão Preto, 2021
Supervisor
Committee
Souza, Silvana Aparecida Creste Dias de (President)
Bressiani, José Antonio
Goldman, Maria Helena de Souza
Romanel, Elisson Antônio da Costa
Title in Portuguese
Caracterização de plantas de cana-de-açúcar e de cana energia superexpressando o fator de transcrição ShSHN1, visando aumento de produtividade e melhoria da matéria-prima para produção de etanol 2G
Keywords in Portuguese
Biocombustíveis
Biomassa
Fator de transcrição
Lignina
Sacarificação
Abstract in Portuguese
O bioetanol da cana-de-açúcar apresenta-se como uma importante fonte alternativa na geração de energia quando comparado a combustíveis fósseis, principalmente por ser renovável, sustentável e eficiente. Na produção de etanol de segunda geração (E2G), a lignina, componente da biomassa lignocelulósica dificulta o acesso das enzimas ao substrato (celulose e hemicelulose) gerando baixos rendimentos de açúcares na hidrólise enzimática. Para contornar esse obstáculo, torna-se necessário modular a expressão de genes envolvidos na via de biossíntese de lignina, visando alterar sua quantidade e composição. O fator de transcrição (FT) SHINE tem se mostrado um candidato para manipulação genética, uma vez que este FT participa em diferentes rotas metabólicas. Em arroz, nosso grupo verificou que ele atua na via de biossíntese de lignina melhorando a eficiência do processo de sacarificação, além de promover maior acúmulo de biomassa. Com base nestes dados, este trabalho objetivou avaliar os efeitos causados pela superexpressão de ShSHN1 em eventos de cana-de-açúcar variedade SP80-3280 e 10 eventos elite de cana energia variedade Vx12-1744 superexpressando ShSHN1, com vistas aos parâmetros relacionados a composição de parede celular (PC): celulose, hemicelulose, lignina, pectina, além de sacarificação e razão S/G. Para cana-de-açúcar, os eventos transgênicos apresentaram um aumento no nível de expressão de ShSHN1 de até 12 vezes maior comparado ao nível de expressão do gene endógeno. A avaliação dos eventos em vaso, em casa-de-vegetação, revelou aumento de até 310% de massa seca, 130% e 120% no número de perfilhos e gemas por vaso, respectivamente. Os resultados de componentes de PC nos tecidos folha, casca, miolo revelaram amplitude de variação entre os eventos obtidos,o que possivelmente reflete o local da inserção do transgene. A modificação desses parâmetros resultou na melhoria do processo de sacarificação de até 159% em casca e até 466% em miolo em eventos específicos. Para cana energia, a avaliação dos eventos transgênicos, em campo, revelou aumento de biomassa de até 231%. A avaliação dos componentes de PC e de sacarificação, conduzida em 10 eventos elite selecionados a campo, não evidenciou modificações significativas. Estes dados somados a uma maior expressão do gene endógeno em miolo, sugerem que o FT ShSHN1 atua de forma tecido-específica em miolo, sendo este tecido muito mais abundante em cana-de-açúcar do que cana energia. Diferentemente do observado na variedade tradicional SP80-3280, houve correlação entre o aumento de pectina e melhoria da sacarificação em cana energia (evento VxSHN215), corroborando com os dados obtidos anteriormente em arroz por nosso grupo. Análise da expressão de sete genes (C4H, C3H, HCT, 4CL, F5H, COMT, CAD) envolvidos na biossíntese de lignina foi conduzida em quatro eventos da cana-de-açúcar que apresentaram modificações nos componentes de PC e na sacarificação. Foram observadas alterações na expressão dos genes C4H, 4CL, F5H, HCT E COMT, os quais variaram para mais ou para menos nos eventos transgênicos em relação ao controle evidenciando que o FT SHN em cana atua modulando a expressão desses genes. Com base nos dados aqui obtidos foi possível comprovar a atuação do SHN como regulador mestre dos componentes de PC, evidenciando seu potencial biotecnológico para aumento de produtividade e modificação da biomassa lignocelulósica para produção de etanol 2G. Ainda, as diferenças observadas nos componentes de PC dos eventos transgênicos de cana-de-açúcar e de cana energia evidenciaram a necessidade de se fazer a prova de conceito da função de um gene na espécie de origem.
Title in English
Characterization of sugarcane and energy cane plants overexpressing ShSHN1 transcription factor aiming increase in productivity and improvement of raw material for the production of 2G ethanol
Keywords in English
Biofuel
Biomass
Lignin
Saccharification
Transcription factor
Abstract in English
Sugarcane bioethanol is an important alternative source in energy generation when compared to fossil fuels, mainly because it is renewable, sustainable and efficient. In the production of second-generation ethanol (E2G), lignin, a component of lignocellulosic biomass, hinders the access of enzymes to the substrate (cellulose and hemicellulose) generating low sugar yields in the enzymatic hydrolysis. To overcome this obstacle, it is necessary to modulate the expression of genes involved in the lignin biosynthesis pathway, aiming to change its quantity and composition. The transcription factor (TFs) SHINE has been shown to be a candidate for Previous work conducted by our group verified that it acts in the lignin biosynthesis pathway, improving the efficiency of the saccharification process in rice, in addition to promoting greater biomass accumulation. Based on these data, this study aimed to evaluate the effects caused by overexpression of ShSHN1 in events of sugarcane variety SP80-3280 and 10 elite events of sugarcane variety Vx12-1744 overexpressing ShSHN1, with a view to parameters related cell wall (CW) composition: cellulose, hemicellulose, lignin, pectin, in addition to saccharification and S/G ratio. For sugarcane, transgenic events showed an increase in the expression level of the ShSHN1 gene of up to 12 times greater than the endogenous gene. The evaluation of events in pots, at greenhouse, revealed an increase of up to 310% in dry mass, 130% in the number of tillers and 120% in the number of buds per pot when compared to non-transformed plants. The results of CW in leaf, rind and pith tissues revealed a significant range of variation between the events obtained, varying up or down between the events, which possibly reflects the location of the transgene insertion. The modification of these parameters resulted in an improvement of the saccharification process of up to 159% in rind and up to 466% in pith in specific events. For energy cane, the evaluation of transgenic events, in the field, revealed an increase in biomass of up to 231%. The evaluation of the CW and saccharification components, conducted in 10 elite events selected in the field, did not show significant changes. These data, added to a greater expression of the endogenous gene in the pith, suggest that the FT ShSHN1 acts in a tissue-specific way in the pith, this tissue being much more abundant in sugarcane than in energy cane. Differently from what was observed with SP80-3280, there was a correlation between increased pectin and improved saccharification in energy cane (event VxSHN215), corroborating data previously obtained in rice by our group. Analysis of the expression of seven genes (C4H, C3H, HCT, 4CL, F5H, COMT, CAD) involved in lignin biosynthesis was conducted in four sugarcane events. Alterations in the expression of genes C4H, 4CL, F5H, HCT and COMT were observed, which varied up or down in transgenic events when compared to control, showing that SHN in sugarcane acts modulating the expression of these genes. Based on the data obtained here, it was possible to prove the role of ShSHN1 as a master regulator of cell wall components, highlighting its biotechnological potential for increasing productivity and modification of lignocellulosic biomass for the production of 2G ethanol. Furthermore, the differences observed in the CW components of the sugarcane and energy cane transgenic events reinforced the need to carry out proof of concept of the function of a gene in the species of origin.
 
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Publishing Date
2022-02-18
 
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