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Doctoral Thesis
DOI
https://doi.org/10.11606/T.97.2019.tde-25082021-111408
Document
Author
Full name
Amanda Fanelli de Souza
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
Lorena, 2019
Supervisor
Committee
Romanel, Elisson Antônio da Costa (President)
Cesarino, Igor
Ferraz, André Luis
Ferreira, Marcio Alves
Title in Portuguese
Análise filogenética e caracterização funcional de genes BAHD de cana-de-açúcar potencialmente envolvidos com a incorporação de ácidos hidroxicinâmicos na parede celular
Keywords in Portuguese
Ácidos Hidroxicinâmicos
BAHD
Cana-de-açúcar
Abstract in Portuguese
O uso eficiente da biomassa lignocelulósica de cana-de-açúcar em biorefinarias é um desafio dada a baixa digestibilidade desses materiais. Em gramíneas, o conteúdo dos ácidos hidroxicinâmicos é um dos fatores que contribui para a recalcitrância da parede celular. Genes da superfamília BAHD envolvidos na adição dos ácidos hidroxicinâmicos ferúlico (FA) e p-cumárico (pCA) (subclado de Mitchell) foram caracterizados funcionalmente em gramíneas, e têm potencial de aplicação no aumento da digestibilidade da parede celular. Dessa forma, os objetivos desse trabalho foram a identificação dos genes da família BAHD em cana-de-açúcar, identificação de genes candidatos com potencial função relacionada à incorporação de ácidos hidroxicinâmicos e caracterização funcional dos genes selecionados com potencial biotecnológico ScAt10 e ScAt4. Utilizando métodos de bioinformática foi feita uma análise filogenética da família BAHD em gramíneas. Usando bancos de ESTs e RNA-Seq de cana-de-açúcar, foram identificados transcritos pertencentes à família BAHD e a análise in silico do padrão de expressão dos genes do clado de Mitchell deu suporte ao provável papel de alguns genes. A análise de expressão dos genes do clado de Mitchell ao longo do desenvolvimento do colmo de híbridos de cana-de-açúcar (H89 e H321) por RT-qPCR, revelou que de uma forma geral esses genes foram mais expressos no entrenó mais jovem. Os genes ScAt10 e ScAt4 foram inseridos em vetores de super-expressão (pzp221b:Ox) e silenciamento por RNAi (pzp221b:RNAi), os quais foram transformados na gramínea modelo milho (Zea mays). As linhagens de superexpressão Ox:ScAt10 apresentaram um aumento muito significativo (~170 vezes) no teor de pCA, especificamente na hemicelulose, e redução no teor de FA (~10x). Ademais, pelo menos um evento de silenciamento ScAt4:RNAi apresentou diminuição de ~3x de pCA especificamente na lignina, porém nas linhagens de super-expressão Ox:ScAt4 não foram detectadas alterações no conteúdo de pCA/FA da parede celular. Os resultados sugerem que ScAt10 possui atividade relacionada à incorporação de pCA na hemicelulose, que pode ser explorada para aumento da digestibilidade.
Title in English
Phylogenetic analysis and functional characterization of sugarcane BAHD genes potentially involved with hydroxycinnamic acid incorporation into cell wall
Keywords in English
BAHD
Hydroxycinnamic Acid
Sugarcane
Abstract in English
The efficient use of sugarcane lignocellulosic biomass is challenging, especially due to the low digestibility of these materials. In grasses, hydroxycinnamic acids content is one of several factors that contributes to cell recalcitrance. BAHD family genes involved in ferulic acid (FA) and p-coumaric acid (pCA) incorporation (Mitchell's subclade) have already been identified and functionally characterized in many grasses and have potential to increase cell wall digestibility. In this sense, the goals of this work were the identification of BAHD genes in sugarcane, identification of candidate genes putatively involved with hydroxycinnamic acid incorporation and functional characterization of selected genes ScAt10 and ScAt4, with potential in biotechnological applications. Using bioinformatics approaches, we performed a phylogenetic analysis of BAHD in grasses. Using ESTs and RNA-seq data, sugarcane transcripts belonging to BAHD family were identified, and also in silico expression analysis of Mitchell's clade genes supported their predicted role in many cases. Expression analysis of Mitchell's clade genes using RTqPCR throughout culm development of sugarcane hybrids (H89 and H321) showed a higher expression in the youngest internode. ScAt10 and ScAt4 were cloned into overexpression (pzp221b:Ox) and RNAi silencing (pzp221b:RNAi), which were transformed into model grass maize (Zea mays). Transgenic overexpression lines (Ox:ScAt10) showed a very significant increase (~170x, p<0.001) in pCA content, specifically bound to hemicellulose. In addition, at least one silencing event ScAt4:RNAi showed ~3x decrease in pCA content, specifically attached to lignin. However, lines overexpressing ScAt4 did not show significant differences in pCA content. This work data suggests that ScAt10 has activity related with incorporation of pCA into hemicellulose, which could be explored for biotechnological applications to increase cell wall digestibility.
 
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Release Date
2023-08-25
Publishing Date
2021-08-25
 
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