Identification and validation of differentially expressed genes related to drought response in Siriema Coffea arabica plants

Abstract

Brazil is the main world producer of coffee, which after oil is the most commercialized commodity in the world. In coffee plants flowering is induced by rainfall or irrigation after a period of water deficit, however, prolonged periods of drought can affect yield and quality of fruits. Drought affects plants impairing growth and development of them. Identification and the understanding of drought tolerance mechanisms, as well as the development of technologies that allow plants to tolerate longer periods of drought are presented as important alternatives to preserve or even increase the brazilian and worldwide agricultural production. The SSH technique (Supression Subtractive Hybridization) allows the obtention of small cDNA libraries enriched with differentially expressed transcripts present in one of the compared sample. This technique has been used efficiently to obtain information about many biological processes, such as identifying genes that are induced under biotic and abiotic stresses. In this study, three subtractive cDNA libraries of young leaves from 6 months old drought-stressed Siriema coffee plants, 24RI48-24NI (24 days after 48hours of re- irigation – 24 days non-irrigated), 24RI48-24RI24 (24 days after 48hours of re- irigation – 24 days after 24 hours of re-irrigation) and 12NI-12I (12 days non-irrigates – 12 days irrigated) were prepared, cloned, sequenced and analyzed. Hypothetical and unknown proteins, putative novel proteins, and some protein-encoding genes were identified. The protein-encoding genes found have relation to stress signaling, stress response and direct or indirect relation to recovery of re-irrigated plants. One gene from each library was selected for quantitative expression analysis by qRT-PCR and validation of the subtraction. For library 1, the selected gene (INV) was differentially expressed between the samples and validated the results. For library 2, differential expression was also detected for the selected gene (CAB11) in quantitative analysis, validating the library results. For library 3, the primers designed for expression analysis showed low efficiency to conduct the quantitative analysis, and validation was not possible. These results contribute to the study of drought tolerance in Siriema progeny and may provide information for further studies and the development of technologies that allow coffee plants to tolerate longer periods of drought.

O Brasil é o principal produtor mundial de café, que depois do petróleo é a mercadoria mais comercializada no mundo. Em plantas de café, a floração é induzida pela chuva ou irrigação após um período de déficit hídrico, no entanto, períodos prolongados de seca podem afetar o rendimento e a qualidade dos frutos. A seca afeta plantas, prejudicando o seu crescimento e desenvolvimento. A identificação e compreensão dos mecanismos de tolerância à seca, bem como o desenvolvimento de tecnologias que permitam que as plantas tolerem longos períodos de seca são apresentados como alternativas importantes para preservar ou mesmo aumentar a produção agrícola brasileira e mundial. A técnica de SSH (Hibridização Subtrativa Supressiva) permite a obtenção de pequenas bibliotecas de cDNA enriquecidas com transcritos diferencialmente expressos presentes em uma das amostras comparadas. Esta técnica tem sido usada de forma eficiente para obter informações sobre muitos processos biológicos, tais como a identificação de genes que são induzidos sob estresse biótico e abiótico. Neste estudo, três bibliotecas subtrativas de cDNA de folhas de plantas de café Siriema sob déficit hídrico, denominadas 24RI48-24NI (24 dias 48 horas após re- irrigação – 24 dias não irrigadas), 24RI48-24RI24 (24 dias 48 horas após re-irrigadas – 24 dias 24 horas após re-irrigação) e 12NI-12I (12 dias não irrigada – 12 dias irrigada) foram preparadas, clonadas, seqüenciadas e analisadas. Proteínas hipotéticas e desconhecidas, putativas novas proteínas, e alguns genes foram identificados. Os genes encontrados têm relação com a sinalização e resposta ao estresse, e relação direta ou indireta com a recuperação de plantas re-irrigadas. Um gene de cada biblioteca foi selecionado para análise de expressão quantitativa por qRT-PCR e validação da subtração. Para uma biblioteca, o gene selecionado (INV) foi diferencialmente expresso entre as amostras, validando os resultados. Para a biblioteca 2, a expressão diferencial também foi detectada para o gene selecionado (CAB11) na análise quantitativa, validando os resultados da biblioteca. Para a biblioteca 3, os primers desenhados para análise de expressão mostraram baixa eficiência para conduzir a análise quantitativa e a validação não foi possível. Estes resultados contribuem para o estudo da tolerância à seca na progênie Siriema e podem fornecer informações para estudos e desenvolvimento de tecnologias que permitam que plantas de café tolerem períodos prolongados de seca.