Transcriptoma do cafeeiro (Coffea arabica L.) durante a interação com Hemileia vastatrix Berk. & Br

Abstract

O cafeeiro é uma das culturas mais importantes no mundo, porém, é atacada por diversas doenças, sendo a ferrugem, causada pelo fungo Hemileia vastatrix, considerada a principal doença em todas as regiões produtivas. O estudo do transcriptoma do cafeeiro durante a interação com H. vastatrix pode auxiliar no controle dessa doença pelo entendimento de quais mecanismos de defesa a planta esta ativando. Em um patossistema, entender a expressão gênica é essencial para a identificação dos genes relacionados com os mecanismos de defesa e resistência da planta, que são ativados pelos genes de patogenicidade do agente causal. Esses genes identificados podem ser utilizados para obtenção de cultivares resistentes. Para estudar o transcriptoma de um organismo, o método que tem sido utilizado é o sequenciamento de mRNA, denominado RNA-Seq. Esta abordagem permite monitorar a expressão de genes da planta e do patógeno em diferentes etapas ao longo do processo infeccioso. Desta forma, o objetivo deste trabalho foi estudar o transcriptoma do cafeeiro durante a interação com H. vastatrix, fungo causador da ferrugem, a fim de identificar os genes que são ativados ou reprimidos em resposta à infecção. Folhas dos cafeeiros C. arabica cv. Caturra CIFC 19/1 (suscetível) e Híbrido de Timor CIFC 832/1 (resistente) foram inoculadas com urediósporos da raça XXXIII de H. vastatrix e coletadas em diferentes tempos após a inoculação (12, 24, 96 horas e 17 dias). Como controle, foram utilizadas folhas dos dois genótipos de café inoculados com água. Após a extração do RNA das amostras, foram obtidas as bibliotecas de cDNA, que foram sequenciadas usando a plataforma Illumina Miseq. As análises dos dados foram realizadas utilizando ferramentas de bioinformática e consistiram em: i) avaliação da qualidade das sequências com o programa FastQC; ii) limpeza dos dados e sobreposição de reads de acordo com os critérios de qualidade, usando Pear e Clean Solexa; iii) mapeamento dos transcritos com o genoma de referência de Coffea canephora e montagem de novo como estratégia complementar; iv) analise de expressão diferencial de genes; v) anotação; e vi) validação de genes candidatos por PCR em tempo real. Um total de 43.159 contigs foram obtidos após o mapeamento contra C. canephora e a montagem de novo. Os resultados sugerem que durante a infecção inicial (12 e 24 hai), o Híbrido de Timor (HdT) foi mais responsivo ao ataque de H. vastatrix em relação ao Caturra por apresentar maior número de genes up-regulated. Foram selecionados treze genes (up- regulated) exclusivos do HdT, para avaliar o padrão de expressão com o uso de qPCR. As estratégias utilizadas para a montagem do transcriptoma foram eficientes e permitiram a obtenção de um banco de dados com qualidade, o qual poderá ser utilizado para mineração de genes expressos no patossistema C. arabica-H. vastatrix durante a infecção.

Coffee is one of the most important crops in the world; however, several diseases, among which coffee rust, caused by the fungus Hemileia vastatrix, is considered the main disease in all producing regions. The study of coffee transcriptome during the interaction with H. vastatrix can help in the control of this disease as it reveals the mechanism of activation of genes involved in defense. In a pathosystem, understanding gene expression is essential for the identification of genes related to plant defense and resistance mechanisms, which are activated by the presence of the pathogen as well as the pathogenicity genes of the microorganism. To study the transcriptome of an organism, the method that has been used is the sequencing of next generation sequencing of mRNA, called RNA-Seq. This approach allows monitoring the gene expression of an organism at different stages throughout the infection process. Thus, the objective of this work was to study the coffee transcriptome during interaction with Hemileia vastatrix, rust-causing fungus, in order to identify genes that are activated or repressed in response to infection. Leaves of two Arabica coffee cultivars, Caturra CIFC 19/1 (susceptible) and Híbrido de Timor CIFC 832/1 (resistant), were inoculated with H. vastatrix race XXXIII and collected at different times after inoculation (12, 24, 96 hours and 17 days). As a control, leaves of the two coffee cultivars were inoculated with water. After extraction of the RNA from the samples, cDNA libraries were constructed and sequenced using the Illumina Miseq platform. Data analyzes were performed using bioinformatics tools and consisted of: i) evaluation of sequence quality with FastQC program; ii) data cleaning and overlapping of reads according to the quality criteria, using Pear and Clean Solexa; iii) mapping of transcripts with the reference genome of Coffea canephora and de novo assembly as a complementary strategy; iv) analysis of differential gene expression; v) annotation; and vi) validation of candidate genes by real-time PCR. A total of 43,159 contigs were obtained after mapping against C. canephora and de novo assembly. The results suggest that during the initial infection (12 and 24 hai), Híbrido de Timor (HdT) was more responsive to H. vastatrix attack than Caturra because it had a higher number of up-regulated genes. Thirteen (up-regulated) genes unique to HdT were selected to evaluate the expression pattern by qPCR. The strategies used to assemble the transcriptome were efficient and allowed to obtain a high quality database, which will be used for mining of genes expressed in the C. arabica-H. vastatrix interaction.