Perfil comparativo do transcriptoma para desvendar as principais vias de sinalização molecular e a plasticidade adaptativa à seca no sistema radicular da cana-de-açúcar

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 12853 (2023) Citar este artigo

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O sistema radicular da cana-de-açúcar é composto por raízes superficiais, bem como raízes profundas e penetrantes do caule (SBR), sendo esta última o sistema radicular permanente. Na cana-de-açúcar, o SBR saudável contribui para um melhor rendimento da cultura e também ajuda a produzir múltiplas soqueiras após a colheita. Há uma escassez de conhecimento profundo sobre a arquitetura do sistema SBR e seu papel funcional nos híbridos comerciais modernos. Um abrangente perfil fenotípico, anatômico e do transcriptoma completo, conduzido entre os híbridos comerciais de cana-de-açúcar e um germoplasma selvagem Erianthus, encontrou um atraso no desenvolvimento tanto na iniciação quanto no estabelecimento do SBR no híbrido comercial em comparação com Erianthus. O sistema SBR em Erianthus provou ser uma extensa arquitetura de sistema radicular adaptável à seca que contribui significativamente para a tolerância à seca. Por outro lado, os SBRs nos híbridos comerciais apresentaram colapso irreversível e danos às células radiculares sob estresse hídrico. Os resultados da análise comparativa dos dados do transcriptoma mostraram uma regulação positiva significativa dos genes que regulam importantes vias de sinalização de estresse, a saber, açúcar, cálcio, sinalização hormonal e biossíntese de fenilpropanóides nos SBRs de Erianthus. Verificou-se que através destas principais vias de sinalização, os SBRs de Erianthus desencadearam a cascata de sinalização a jusante para transmitir respostas fisiológicas como osmoproteção, modificação das paredes celulares, desintoxicação de espécies reativas de oxigênio, expressão de fatores de transcrição responsivos à seca, manutenção da estabilidade celular e raiz lateral desenvolvimento. O presente estudo constitui uma base para uma maior exploração do sistema Shoot Borne Root como um valioso alvo de melhoramento para desenvolver genótipos de cana-de-açúcar tolerantes à seca.

Globalmente, a frequência de tensões abióticas, como secas, salinidade, alagamentos, temperaturas elevadas e outras condições climáticas extremas, aumenta todos os anos1. A cana-de-açúcar é uma das culturas comerciais economicamente mais importantes e é uma importante fonte de açúcar em todo o mundo. No entanto, a seca surge como um grande problema que afeta a produtividade e a produção da cana-de-açúcar em todo o mundo. A Índia, com uma área de 5,1 milhões de hectares, é um dos países líderes no cultivo de cana-de-açúcar. Actualmente, cerca de 0,29 milhões de hectares de terra, sob cultivo de cana-de-açúcar na Índia, são considerados propensos à seca2,3,4,5,6. O estresse hídrico, principalmente na fase de formação da cultura, inibe mais de 50% do seu rendimento7,8. A utilização de variedades tolerantes e melhor adaptáveis ​​ajudará a alcançar uma produtividade sustentável sob condições de stress hídrico8.

A fim de desenvolver culturas tolerantes à seca ou adaptativas, as plantas com melhor arquitectura do sistema radicular têm sido amplamente alvo de programas de melhoramento9. As raízes são os primeiros órgãos do corpo da planta a sentir o estresse hídrico e iniciar a cascata de sinalização de estresse. A cascata de sinalização provoca alterações metabólicas e moleculares na planta para se adaptar a condições ambientais extremas10,11. Extensos estudos foram conduzidos anteriormente para desvendar as vias de sinalização molecular das raízes e seus mecanismos reguladores, para que as estratégias das raízes para manter as funções sob disponibilidade limitada de água possam ser melhor compreendidas .

O sistema radicular da cana-de-açúcar é de natureza altamente divergente, pois forma diferentes tipos de sistemas radiculares durante diferentes fases de seu desenvolvimento14. A raiz primária, ou seja, raízes de pegamento, é formada a partir dos olhos das raízes dos pegamentos vegetativos, durante a germinação dos botões. Ele apoia o desenvolvimento das mudas enquanto eventualmente se degrada dentro de 60 a 90 dias após a germinação. Após 5 a 7 dias do plantio do pegamento, raízes de rebentos (SBR) mais espessas e permanentes surgem dos nós de rebentos consecutivos. Esse sistema radicular é exclusivo das monocotiledôneas e forma o sistema radicular permanente da cana-de-açúcar, contribuindo para a aptidão dos adultos e o rendimento final da colheita .