LGN 5799 - SEMINÁRIOS EM
GENÉTICA E MELHORAMENTO DE PLANTAS
Programa de Pós-Graduação em
Genética e Melhoramento de Plantas
Departamento de Genética
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COMPOSTOS ORGÂNICOS VOLÁTEIS (VOCs) DE PLANTAS NAS INTERAÇÕES INSETO-PLANTA.
Aluna: Ligia Hansen Arruda
INTERAÇÃO PLANTA-INSETO
•Sistema dinâmico
•As plantas são o maior grupo em volume do planeta e os insetos o maior grupo em diversidade de espécies.
Interações
coevolutivas entre
insetos e plantas
Interações recíprocas
co-evolução
(Raven 1964)
Co-evolução é a interação entre
duas ou mais espécies, com a
alteração genética de uma
afetando a das demais e vice-versa
(Janzen 1980).
insetos polinizadores e as plantas por eles polinizadas
INTERAÇÕES e VOCs
insetos fitófagos e suas respectivas fontes de alimentação vegetal
VOCs
Compostos químicos responsáveis pelo odor
característico da planta
Atração de polinizadores, auxiliando na dispersão de
sementes
Resistência ao ataque de herbívoros através da atração
de parasitóides e predadores.
Os voláteis podem também tornar alerta o sistema de
defesa das plantas vizinhas. (“Talking trees” – interação planta-planta)
•Interação planta-planta
•Interação planta-patógeno
•Informação sobre valor nutritivo
Benefícios para humanos
Nutrientes essenciais atividade antimicrobiana, atividade antioxidante, atividade anticarcinogênica
Benefícios para a planta
Distribuição de sementes maturidade
Voláties
reconhecidos Muitos outros voláteis
Science 2006: Vol. 311. pp. 815 - 819
Voláteis atrativos (alcenos) Voláteis atrativos (alcenos) Voláteis repelentes (Farnesil hexanoato)
Evolution, 59(7), 2005, pp. 1449-1463
Orquídeas do gênero Ophrys:
O. sphegodes O. exaltata O. garganica O. ‘monte-gargano’ Polinizador: Colletes cunicularius
Orquídea:
Chilogottis trapeziformis
Polinizador:
Mecanismos moleculares dos VOCs
Organismos modelos:
Gênero com 44 espécies – sem odor e polinizadas por abelhas.
Clarkia breweri é exceção – odor forte e doce polinizada por mariposas
S-linalool
LIS
(S-linalool sintase)Pétalas Pistilo
Pico de atividade de LIS correspondente ao pico de
emissão de S-linalool Dois primeiros dias
após a abertura da flor.
Há indícios de que a emissão de voláteis é uma
característica recente em
Clarkia breweri.
Expressão do gene LIS em diferentes tecidos
florais.
50% de S-linalool 40% de benzil-acetato 5% de metil-salicilato 5% de benzil-benzoato LIS BEAT SAMT
Compostos de 5 carbonos
IPP (ou IDP)
DMAPP (ou DMADP)
Vias isoprenóides:
Via do mevalonato (citosol) (MVA)
Via do metileritritol fosfato (plastídio) (MEP)
Hidrocarbonetos:
Alcanos, Alcenos, Benzenóides e
Terpenos (monoterpenos, sesquiterpenos)
Terpenos sintases (TPSs)
Fragrant Cloud- alcoóis , monoterpenos, sesquiterpenos e vários ésteres
(compostos conhecidos em rosas)
Golden Gate – 99% fenóis metoxilados (dificilmente detectados pelo olfato humano)
74% do total de clones analisados eram únicos (singletons):
1288 FC 746 GG
Classificação funcional das sequências únicas
5% metabolismo secundário
RNA de pétalas de flores de FC e GG foram usados como sondas
77 genes (22%)apresentaram maior expressão nas pétalas de FC do em GG
270 genes (~77%) apresentaram expressão similar nas duas variedades
3 genes (1%)apresentaram maior expressão em pétalas de GG
40 genes foram mais expressos em FC
Estágio 1 FC x Estágio 4 FC
Estágio 4 FC x Estágio 4 GG
O clone FC0592 teve forte expressão
•similaridade de 53% com uma sesquiterpeno sintase
•Só expressa nos estágio 4 a 6
•Ausente em GG
•Compostos voláteis estão envolvidos na interação entre
plantas e seus polinizadores
•Voláteis florais podem ser mímicos de feromônios para facilitar a polinização
•Terpenos e outros hidrocarbonetos são importantes compostos envolvidos na atração de polinizadores
VOCs florais
•As duas vias dos isoprenóides se comunicam (via MVA e via MEP)
•Diversos modelos de plantas são usados para tentar elucidar os mecanismos moleculares envolvidos na produção de
fragrâncias florais
•Os genes que codificam terpenos sintases são importantes alvos nos estudos de expressão gênica e produção de
Mecanismos de defesa das plantas
Alteração de características físicas e químicas
•Compostos protéicos de defesa (IPs) •Compostos tóxicos (nicotina)
•Compostos voláteis Defesas diretas Defesa indireta
Ácido Jasmônico
Voláteis de folha verde
Hexanal
Hexanil acetato Hexanol
VOCs na defesa das plantas
Planta Herbívoro Carnívoro
Primeiro nível trófico: Fotossintetizantes Segundo nível trófico: Decompositores, Herbívoros Terceiro nível trófico: Predadores, Parasitóides
herbívoro planta atacada emissão de voláteis difusão no ambiente percepção pelo inimigo natural PREDAÇÃO / PARASITISMO
ferimento+elicitor complexo sinalizador octadecanóide/jasmonato expressão de genes de defesa
induzida por herbivoria recrutamento de vespas liberação de
Arabidopsis 150 genes
Resposta da planta à herbivoria
Sorgo
Complexidade da resposta: •Mudança na expressão gênica
•Produtos diretamente envolvidos na resitência
•Suprimindo de funções menos importantes
•Sintetizando moléculas necessárias para a defesa
Resposta da planta à herbivoria
Defesa indireta das plantas
Monoterpenos (C10) Sesquiterpenos (C15)
Maioria dos compostos nas misturas voláteis de defesa
óleos
resinas frutos
• Compostos derivados do inseto
– Produtos da reação de elicitores no local da injúria (volicitina, β-glucosidase)
• Compostos sinalizadores
– Sistemina, etileno, jasmonatos
• Voláteis de folha verde – Hexenol, Hexanal
• Voláteis terpenóides
– Linalool, Homoterpenos, Sesquiterpenos • Via do ácido shiquímico
– Metilsalicilato, Indol
Identificar genes responsáveis pela formação dos
sesquiterpenos de milho.
Milho: 60 sesquiterpenos,
Emitidos após herbivoria:
(E)-β-farneseno
(E)-α-bergamoteno + 7 sesquiterpenos
•Busca por terpenos sintases nos bancos de EST •Diversas sequências completas de cDNA forma
clonadas e superexpressas em bactérias
•Caracterização da atividade enzimática
Um clone encontrado convertia FDP em
sesquiterpenos característicos do milho atacado por herbívoros mantendo as mesmas
proporções.
Compostos: 3 – (E)-α-bergamoteno 5 – (E)- β-farneseno Arabidopsis thaliana+tps10 Milho danificado por herbivoria E. coli + tps10
Cotesia marginiventris
Arabidopsis thaliana
(a) Atração de predadores e parasitóides (b) Atração de herbívoros (c) Repulsão de herbívoros (d) Redução de predação ou do sucesso do parasitóide Terpenos Defesas diretas
1. Atrair o inimigo certo
2. Utilizar o composto volátil certo
3. Ajustar o tempo certo da liberação do volátil 4. Evitar hóspedes não convidados
5. Separar desfesas direta e indireta
6. Manipulação da biossíntese de voláteis terpenos. 1. Aumentar a produção e liberação de terpenos 2. Modificar a composição dos voláteis
Efeitos da modificação genética na produção de compostos voláteis e seu potencial impacto na
dinâmica das populações de artrópodes.
•Milho Bt e não Bt tem mesmo padrão de voláteis induzidos por herbivoria sendo igualmente atrativos para o terceiro nível trófico.
•As diferenças no perfil de voláteis induzidos por herbivoria de milho Bt e não BT em campo ocorre devido a quantidade de
danos sofridos e aos diferentes padrões de comportamento durante a alimentação dos herbívoros.
•No campo, plantas Bts são menos danificadas por herbivoria,
diminuindo a vista do terceiro nível trófico.
•A baixa emissão de voláteis de defesa pelas plantas Bt
resulta numa maior visita de herbívoros para ovoposição.
Polinizadores Parasita/predador Herbívoro Parasita/predador Patógeno Herbívoro Alelopatia Antifúngico/ antimicrobiano Elicitação/ alerta antifúngico/ antimicrobiano Dispersores de sementes Sinal Atração /repelência se alimenta de Resposta de defesa induzida por voláteis
Defesa contra patógenos
Dudareva et al. 2006
VOCs na defesa indireta
•Podem ser armazenados (voláteis de folhas verdes) ou sintetizados de novo.
•Terpenos (monoterpenos e sesquiterpenos) são bem
caracterizados devido a sua grande importância na atração de inimigos naturais.
•São espécie-específico variando com a espécie de planta, a espécie de herbívoro e até mesmo
diferenciando os estágios de desenvolvimento da espécie.
VOCs na defesa indireta
•Sinalização para os inimigos naturais dos herbívoros informando sobre onde encontrar seu hospedeiro/presa •Sinalização para os herbívoros informando sobre:
•a presença de competidores ou inimigos naturais
•a redução da qualidade do alimento devido a indução de defesas diretas das plantas atacadas
•Sinalização para as plantas vizinhas informando sobre a presença de herbívores e possível ataque.