Expressão de genes envolvidos nas etapas iniciais do estabelecimento da simbiose entre Bradyrhizobium elkanii SEMIA587 e soja [Glycine max (L.)] submetida ao déficit hídrico

Abstract

A soja é a leguminosa mais importante no mundo. Seu alto teor de proteína demanda elevadas quantidades de nitrogênio, o qual é obtido, principalmente, por meio do processo de fixação biológica de nitrogênio (FBN), possibilitado pela simbiose entre soja e espécies de bactérias do gênero Bradyrhizobium. Para realizar a FBN, as bactérias sintetizam um complexo enzimático chamado nitrogenase, altamente sensível ao oxigênio. Para proteger a nitrogenase do oxigênio e garantir o suporte ao estado simbiótico, leguminosas e bactérias formam um órgão chamado nódulo. A nodulação é um processo muito complexo e pode ser afetado por estresses abióticos, entre eles o déficit hídrico. Neste trabalho foram utilizados dois genótipos de soja - sensível e tolerante à seca - inoculados com Bradyrhizobium elkanii SEMIA587, uma das espécies mais utilizadas na formulação de inoculantes no Brasil, com o objetivo de avaliar a expressão de genes relacionados à nodulação, tanto nas plantas como nas bactérias, quando submetidas ao déficit hídrico. Amostras de raízes das plantas inoculadas com SEMIA587 foram coletadas nas primeiras 24 horas de infecção e submissão ao déficit hídrico. Tais amostras foram utilizadas para a extração de RNA, preparação das bibliotecas de cDNA e sequenciamento pela plataforma IonTorrent. Os dados obtidos foram analizados utilizando a metodologia de análise combinada para Dual RNA-seq. Os resultados obtidos sugerem que o genótipo tolerante à seca (EMBRAPA 48) é capaz de interagir com a bactéria e iniciar a nodulação, uma vez que tanto a soja quanto B. elkanii superexpressaram genes relacionados à nodulação quando submetidos à seca. Em relação ao genótipo sensível à seca (BR 16), este, provavelmente, está investindo na proteção da planta ao déficit hídrico e evitando outro tipo de estresse, como, no caso, a infecção bacteriana, já que foram encontrados vários genes relacionados à resistência a doenças com a transcrição induzida, enquanto que genes relacionados à nodulação não foram detectados. Linhagens pertencentes ao gênero Bradyrhizobium, destacando-se as espécies B. japonicum, B. diazoefficiens e B. elkanii, têm sido amplamente utilizadas em fórmulas de bionoculantes nas últimas décadas. Apesar da semelhança entre B. japonicum e B. elkanii, anos de pesquisa demonstraram diferenças genéticas e fisiológicas entre estas: B. elkanii apresenta resistência a vários antibióticos em altas concentrações e produz seis vezes mais ácido indol acético que B. japonicum. Em contrapartida, B. japonicum e B. diazoefficiens são capazes de resistir em campo por longos períodos, mesmo na ausência da planta hospedeira. Para investigar se diferenças nas sequências dos genomas destas espécies podem influenciar na manifestação de características distintas, este trabalho também realizou uma comparação entre os genomas de quatro espécies/estirpes de Bradyrhizobium. A classificação dos ortogrupos elucidará quais grupos de genes podem estar relacionados às diferenças identificadas, evidenciando características genéticas distintas nas linhagens de Bradyrhizobium investigadas.

Soybean is the most important legume in the world. Its high protein content demands high amounts of nitrogen, which is obtained mainly through the biological nitrogen fixation (BNF) process, made possible by the symbiosis between soybean and Bradyrhizobium species. To perform BNF, the bacteria synthesize an enzymatic complex called nitrogenase, highly sensitive to oxygen. To protect nitrogenase from oxygen and ensure support to the symbiotic state, legumes and bacteria form an organ called a nodule. Nodulation is a very complex process and can be affected by abiotic stresses, among them the water deficit. In this work two soybean genotypes - sensitive and drought tolerant - were inoculated with Bradyrhizobium elkanii SEMIA587, one of the most widely used inoculant species in Brazil, with the objective of evaluating the expression of genes related to nodulation, both in plants and in bacteria, when submitted to the water deficit. Plant roots samples inoculated with SEMIA587 were collected in the first 24 hours of infection and water deficit. These samples were used for extraction of RNA, preparation of cDNA libraries and sequencing by the IonTorrent platform. The data obtained were analyzed using the combined analysis methodology for Dual RNA-seq. The results suggest that the drought-tolerant genotype (EMBRAPA 48) is capable of interacting with the bacteria and initiating nodulation, since both soybean and B. elkanii overexpressed nodulation-related genes when subjected to drought. In relation to the genotype sensitive to drought (BR 16), this one is probably investing in the protection of the plant to the water deficit and avoiding another type of stress, as in the case, the bacterial infection, since several genes related to the resistance to diseases presented induced transcription, while genes related to nodulation were not detected. Strains belonging to the genus Bradyrhizobium, notably the species B. japonicum, B. diazoefficiens and B. elkanii, have been widely used in bionoculant formulas in recent decades. Despite the similarity between B. japonicum and B. elkanii, years of research demonstrated genetic and physiological differences between them: B. elkanii shows resistance to several antibiotics at high concentrations and produces six times more indole acetic acid than B. japonicum. In contrast, B. japonicum and B. diazoefficiens are able to resist in the field for long periods, even in the absence of the host plant. To investigate whether differences in the genome sequences of these species may influence the manifestation of distinct traits, this work also compared the genomes of four Bradyrhizobium species/strains. The classification of orthogroups will elucidate which groups of genes may be related to the identified differences, evidencing distinct genetic characteristics in the Bradyrhizobium strains investigated.