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LGN 5799 - SEMINÁRIOS EM GENÉTICA E MELHORAMENTO DE PLANTAS

Programa de Pós-Graduação em Genética e Melhoramento de Plantas

Departamento de GenéticaAvenida Pádua Dias, 11 - Caixa Postal 83, CEP: 13400-970 - Piracicaba - São Paulo - Brasil

Telefone: (0xx19) 3429-4250 / 4125 / 4126 - Fax: (0xx19) 3433-6706 - http://www.genetica.esalq.usp.br/semina.php

ADAPTAADAPTAÇÇÃO DOS INSETOS ÃO DOS INSETOS ÀÀS ESTRATS ESTRATÉÉGIAS DE DEFESA DAS GIAS DE DEFESA DAS

PLANTASPLANTAS

LARISSA C.D. NADALINIDANIEL SCHERER DE MOURA

Tópicos Abordados

ADAPTAADAPTAÇÇÃO DOS INSETOS ÃO DOS INSETOS ÀÀS ESTRATS ESTRATÉÉGIAS DE DEFESA DAS PLANTASGIAS DE DEFESA DAS PLANTAS

• Introdução

• Defesa das plantas

• Adaptação dos insetos

• Estudos avançados

INTRODUINTRODUÇÇÃOÃO

Introdução• Adaptação


Introdução• Adaptação

Seleção Natural

- século XIX

- Adaptação e especialização

dos organismos

Charles Robert Darwin


Introdução

?? Adaptação ??

“ É qualquer característica evoluída que torna organismo capacitado a sobreviver em seu habitat. Podem ser anatômicas, fisiológicas ou

comportamentais.”


Introdução



plantas Insetos herbívoros

Schoonhoven et al., 2005

Características ou comportamentos evoluídos que torna inseto capacitado a sobreviver no seu habitat.

Insetos não-herbívoros

vertebrados

protozoa

Outros invertebrados

Introdução

Fuga Novos metabólitos

Fuga temporal /espacial DetoxificaçãoSequestro de venenos

Aperfeiçoamento das enzimas digestivas (spectrum modificado)Proteinases para destruir as Proteínas Inibidoras

Utilização de hospedeiros alternativos Aumento da taxa de consumo Modificação da qualidade nutritiva do tecido da planta hospedeira Estabelecimento de associações com microorganismos

Inseto elicitores

SINAL

AT I VAÇÃO

GEN I CA


HERBIVORIA

GENE ATIVAÇÃO SINAL

voláteis

Repostas Indiretas Respostas Diretas

Barreira Física

Metabólitos secundários e Proteínas

Barreira Nutricional

Inibidores aumento da atividade grupos heterogêneos alta especificidade bifuncionalidade

INSETOPLANTA

Forma da folha Arquitetura Planta Metabólitos secundários Voláteis

Parasitoidespredadores Voláteis

provenientes da planta atacada

ADAPTAADAPTAÇÇÃO DOS INSETOS ÃO DOS INSETOS ÀÀS ESTRATS ESTRATÉÉGIAS DE DEFESA DAS PLANTASGIAS DE DEFESA DAS PLANTASMELLO & SILVA-FILHO,2002

Introdução• Formas de adaptação do inseto

Fuga Novos metabólitos

Fuga temporal /espacial DetoxificaçãoSequestro de venenos

Aperfeiçoamento das enzimas digestivas (spectrum modificado) Proteinases para destruir as proteínas Inibidoras

Utilização de hospedeiros alternativos Aumento da taxa de consumo Modificação da qualidade nutritiva do tecido da planta hospedeira

Estabelecimento de associações com microorganismos

Inseto elicitores

S I NA I S

ATI

VAÇÃO

GEN

I CA

MELLO & SILVA-FILHO,2002

Introdução• ? Benefícios da adaptação para insetos?

Fonte de Alimentação

Local de Reprodução (quimoreceptores)

Abrigo

Tornam pragas agrícolas


Introdução• ? Benefícios da adaptação para insetos?

Adaptação a cultivar resistente introduzida por melhoramento ou engenharia genética

Ex: Mosca (Mayetiola destructor) x trigo resistentehessian (1955, 1964, 1971) RAUSHER,M.D. 2001

Pesquisas- mecanismos adaptativos insetos, forma plantas se posicionam aos seus agressores são interessantes e crescentes



DEFESADEFESA DAS PLANTA

Defesa das plantas• NICOTINA

Defesa direta da planta

Primeiros inseticidas usado no controlede pragas

Atua no sitema nervoso do inseto(acetilcolina)

Alcalóides piridina

Nicotiana attenuata Nicotiana sylvetris

Encontrado em Solanaceas

predominantemente em tabaco

Defesa das plantas• NICOTINA – Eficiente Inseticida

Steppuhn et al, 2004 Nicotine’s defensive function in Nature.

Pesquisa:

• Plantas transformadas de N. Attenuata- composto PMT foi inativado(IRpmt/108)

X

Nicotina



Resultados: nicotina

Nicotina (normal)

Metade danos dos herbivoros

Dias depois de transplantadas

Dan

os n

a ár

ea fo

liar (

%to

tal)

Todos os herbívoros



Conclue:

Redução da quantidade de nicotina nas plantastransgenicas demonstrou a forte pressão dos herbivoros sobre N. attenuata

Nicotina é importante e eficiente químico de defesa dasplantas na natureza

Defesa das plantas• GLUCOSINOLATOS

Thioglucosideos, ‘Glicosideos óleo mostarda’

Família Brassicacea

Composto orgânico que contém nitrogênio, enxofre, grupoderivado da glucose e grupo lateral

Defesa das plantas• GLUCOSINOLATOS

Intactos pouca toxidade , porém quando associados a enzimas da planta é tóxicos, servindo de defesa.

( Thioglucosideos, ‘Glicosideos óleo Mostarda)

GRUBB &ABEL, 2006 (modificado)

glucosinolatos-mirosinase (b-thioglucosidase)

“bomba de óleo mostarda”

Corpos de mirosina

Dano

Defesa das plantas• INIBIDORES DE PROTEASES (IP)

• São grande e complexo grupo de proteínas presente todas formas de vida (plantas)

• Plantas

• Nas folhas a quantidade é baixa mas pode ser induzida quando

a planta é atacada por inseto ou sobre alguma de injuria.

• INIBIDORES DE PROTEASES (IP)Nas folhas a quantidade IP

Moura e Rayn, 2001 - Inibidores protease em folhas de pimenta (PLPIs)

Tempo (h)

variedades

Folha inferior

Folha inferior

Folha apical

Folha apical

Controle

Ferimento

Indução de PLPIs em folhas de pimenta

Inib

idor

Inib

idor


• Como atuam?

• Essas proteínas formam complexos com proteases, essa

interação pode levar a perda de sua atividade (defesa).

(grande e complexo grupo de proteínas)


• Defesa contra inseto:

• inibibição das proteases intestinais• super produção das enzimas digestivas

deficiência dos aa ou na sua disponibilidade paraprodução outras proteínas

atraso no crescimento, desenvolvimento,ou mesmo morte do inseto

• indiretamente prolongar tempo exposição ao predador


• Defesa contra inseto: ∗ POMPERMAYER, 2001

SPI Controle

20 DIAS APÓS ECLOSÃO

Tratamento larva

Peso Duração Mortalidade

(mg±SE) (dias ±SE) (%)

Controle a

ADAPTAADAPTAÇÇÃO DOS ÃO DOS INSETOSINSETOS

DesintoxicaDesintoxicaçção atravão atravéés de atividade enzims de atividade enzimááticatica

Adaptação do inseto

Insetos codificam enzimas que atuam sobre compostos potencialmente tóxicos gerados pela planta, tornando possível o consumo desse alimento.

Cytochrome P-450 , PSMOs ou MFOs

Todos os tecidos dos insetos

Genoma composto > 100 genes P450



Cytochrome P-450 , PSMOs ou MFOsÁrea de ataque da enzima

Nicotine-1-N-oxide

Cotinine-N-oxide

CH3



Glendinning, 2002

Manduca sexta

Dieta com nicotina (46.2mM/kg dieta)

Dieta sem nicotina

Atividade

Citocromo P-450

Citocromo P-450

x Inibidor PB(piperonil butoxide)



Glendinning, 2002

Dieta controle Dieta nicotina

Atividade

alimentar

Duração de exposição à dieta (h)

mg

inge

rida

h-1



Glendinning, 2002

Citocromo P-450

x Inibidor PBAtividade do Citocromo P-450

nos intestinos

Dieta controle Dieta nicotina

Duração de exposição à dieta (h)

Dieta nicotina

nicotina Nicotina

+PB



desarmamento do complexo Glucosinalato-mirosinase(bomba óleo mostarda)

É sulfatasesulfatase glucosinalatoglucosinalato (GSS)(GSS) presente em Lepidoptera especialista – Plutellaxylostella ou “diamondback moth”(DMB)



tóxicos

Plutella xylostella

Desulfo-glucosinolatos

Não tóxicos



Ratza et al.,2002 Disarming the mustard oil bomb. PNAS 99,11223-28.

Alimentaram lagartas Plutella xylostella em variedades de A.thaliana

Ensaios enzimáticos de atividade da sulfatase glucosinalato (GSS)

partes do corpo da lagarta

extrato fecal



Ratza et al.,2002

partes do corpo da lagarta

controle corpo tecido conteúdosem intestino intestino intestinal

Ativ

idad

e G

SS


A atividade da sulfatase glucosinalato (GSS) desse inseto é específica para um determinado

tipo de glucosinalato/planta?

DesintoxicaDesintoxicaççãoão atravatravéés de atividade enzims de atividade enzimááticatica

Adaptação do insetoDesintoxicação através de atividade enzimática

GS Desulfo-GS

Não tóxicos

PLANTA (nome científico)Folhas

Peso Seco Peso Seco

Fezes


Conclusão:Os intestinos desses insetos produzem uma enzima (GSS) que atua sobre o glucosinalato decompõe em desulfo-

glucosinolate (não tóxico)

glucosinalato-mirosinase

Plutella xylostella


AlteraAlteraçção das proteases apão das proteases apóós s IPIP


aumento da atividade de suas proteases (enzimas digestivas)

síntese de proteases menos sensíveis aos inibidores

quebra do inibidor via proteinase intestinal

mudança no padrão de expressão dos genes que codificam as proteases presentes nos intestinos da lagartas

Adaptação do insetomudança no padrão de expressão gênica

regulação proteases HELICOVERPA ARMIGERA

Chougule et al, 2005 Gene expression patterns of Helicoverpaarmigera gut proteases Insect Bioch Mol.Biol. 35,p. 355–67

Verificou o padrão de expressão de diversas proteases (tripsinas) em H.armigera submetidas a inibidores extraídos de diferentes plantas.


Tripsinas (proteases) H.armigera

Chougule et al, 2005

mudança no padrão de expressão gênica

Dieta controle

Dieta controle

HaTry5HaTry2


Expressão de genes que codificam proteases “de novo”

BRIOSCHI D., 2006

Spodopterafrugiperda

Dieta artificial

0% IPSoja

0,5% IPSoja

0, 6,12, 24, 48horas


Expressão de genes que codificam proteases “de novo”Tripsinas

0

2

4

6

8

10

12

0 6 12 24 48Horas

Reg

ulaç

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ênic

a ab

solu

ta

441F01

0

2

4

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8

10

12

0 6 12 24 48

Horas

Reg

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ênic

a ab

solu

ta

443D12.

Adaptação do insetoExpressão de genes que codificam proteases “de novo”

Quimotripsinas

0

2

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6

8

0 6 12 24 48

Horas

Reg

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0

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2

3

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0 6 12 24 48

Horas

Reg

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solu

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450F05

0

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0 6 12 24 48

Horas

Regu

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448G03

0

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0 6 12 24 48

Horas

Regu

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o gê

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450F08

RDAFB07

ESTUDOS AVANESTUDOS AVANÇÇADOSADOS

Estudos Avançados

Complexos: ♦ Grau de especialização do inseto ao seu alimento

Especialista x Generalista

♦ Relação com outros organismos

Outros insetos, outros predadores,

bactérias, fungos

Sobrevivência na planta

Estudos Avançados

Especialista x Generalista 1 ou poucas espécies de plantas

relacionadas

Forma mais eficiente de adaptação (similares fitoquímicos)

Escolha/reconhecimento da planta hospedeira (facilitando a

colonização nicho aberto)

↓ fontes de nutritivas

Ampla variedade de espécies de planta

mecanismos adaptativos mais complexo (diferentes fitoquímicos)

Escolha aleatória (maiores chances enfrentar concentração elevada para um

determinado químico)

↑ fontes nutritivas

Grau de especialização do inseto ao seu alimento

Estudos Avançados

• Fungos

Algumas espécies de besouros introduzem fungos do gênero Ceratocistis e ophiostoma junto as árvores antes de sua alimentação.

• Bactérias

Afídeos: podem utilizar o floema nutricional através de bactérias que auxiliam na metabolizaçãodessa fonte de alimento .

Relação com outros organismos

Obrigada !

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