BRPI1003751B1 - SUGAR CANE PROMOTERS, EXPRESSION CASSETTES, VECTORS AND THEIR USE IN TRANSGEN EXPRESSION - Google Patents
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promotores de cana-de-açúcar, cassetes de expressão, vetores e seu uso na expressão de transgenes a presente invenção provê sequências de ácidos nucléicos isolados de promotores de genes de cana-de-açúcar (seq id nº 1 à seq id nº 10), seus cassetes de expressão contendo pelo menos uma das ditas sequências e pelo menos um gene de interesse heterólogo e/ou nativo da planta e seus vetores de expressão. adicionalmente, o presente pedido trata do uso dessas estruturas no âmbito da genômica funcional, biologia molecular, engenharia genética, particularmente na regulação da expressão gênica em plantas, preferencialmente, gramíneas, mais particularmente, ainda, cana-de-açúcar.sugarcane promoters, expression cassettes, vectors and their use in transgene expression the present invention provides nucleic acid sequences isolated from sugarcane gene promoters (seq id nº 1 to seq id nº 10) , its expression cassettes containing at least one of said sequences and at least one gene of interest heterologous and/or native to the plant and its expression vectors. additionally, the present application deals with the use of these structures in the scope of functional genomics, molecular biology, genetic engineering, particularly in the regulation of gene expression in plants, preferably grasses, more particularly, sugarcane.
Description
[01] A presente invenção provê sequências de ácidos nucléicos isolados de promotores de genes de cana-de-açúcar (SEQ ID N°1 à SEQ ID N°10), seus cassetes de expressão contendo pelo menos uma das ditas sequências e pelo menos um gene de interesse heterólogo e/ou nativo da planta e seus vetores de expressão. Adicionalmente, o presente pedido trata do uso dessas estruturas no âmbito da genômica funcional, biologia molecular, engenharia genética, particularmente na regulação da expressão gênica em plantas, preferencialmente, gramíneas, mais particularmente, ainda, cana-de-açúcar.[01] The present invention provides nucleic acid sequences isolated from sugarcane gene promoters (SEQ ID N°1 to SEQ ID N°10), their expression cassettes containing at least one of said sequences and at least a gene of interest heterologous and/or native to the plant and its expression vectors. Additionally, the present application deals with the use of these structures in the scope of functional genomics, molecular biology, genetic engineering, particularly in the regulation of gene expression in plants, preferably grasses, more particularly, sugarcane.
[02] A cana-de-açúcar pertence ao gênero Saccharum L., que é parte da família das Poaceae (Gramíneas). Ainda, tem-se o conhecimento de uma espécie domesticada denominada Saccharum officinarum (cana nobre). S. officinarum refere-se a um grupo de canas com colmos grossos e suculentos cultivado no sudeste da Asia e Ilhas do Pacífico antes de se expandir por entre os trópicos entre 1.500 e 1.000 AC (Daniels J, Roach BT (1987) Taxonomy and evolution in sugarcane, p 7-84. In: Heinz DJ (ed), Sugarcane improvement through breeding, Elsevier Press, Amsterdam).[02] Sugarcane belongs to the genus Saccharum L., which is part of the Poaceae (Graminea) family. Still, there is knowledge of a domesticated species called Saccharum officinarum (noble sugarcane). S. officinarum refers to a group of thick, succulent stalks cultivated in Southeast Asia and the Pacific Islands before expanding across the tropics between 1500 and 1000 BC (Daniels J, Roach BT (1987) Taxonomy and evolution in sugarcane, p 7-84. In: Heinz DJ (ed), Sugarcane improvement through breeding, Elsevier Press, Amsterdam).
[03] Na China e India, S. officinarum cruzou com parentes selvagens formando híbridos naturais (S. sinense e S. barberi) que foram então selecionados e cultivados. A extração de açúcar provavelmente se desenvolveu na Índia e China a partir desses híbridos (Daniels J, Daniels C (1975) Geographical, historical and cultural aspect of the origin of the Indian and Chinese sugarcanes S. barberi and S. sinense. Sugarcane Breeding newsletter 36:4-23).[03] In China and India, S. officinarum crossed with wild relatives forming natural hybrids (S. sinense and S. barberi) which were then selected and cultivated. Sugar extraction probably developed in India and China from these hybrids (Daniels J, Daniels C (1975) Geographical, historical and cultural aspect of the origin of the Indian and Chinese sugarcanes S. barberi and S. sinense. Sugarcane Breeding newsletter 36:4-23).
[04] No final do século XIX, a S. spontaneum, uma espécie selvagem que não produzia açúcar e com talos finos, foi desenvolvida através de programas de melhoramento buscando a obtenção de variedades resistentes às doenças que agrediam intensamente o susceptível gênero S. officinarum.[04] In the late nineteenth century, S. spontaneum, a wild species that did not produce sugar and with thin stems, was developed through breeding programs seeking to obtain resistant varieties to diseases that intensely attack the susceptible genus S. officinarum .
[05] A hibridização interespecífica representou um marco nos cruzamentos modernos, pois não somente resolveu o problema para um grande número de doenças, como permitiu o aumento da produtividade, teor de açúcar, brotação da soqueira e resistência a estresses (Roach BT (1972) Nobilisation of sugarcane. Proc Int Soc Sugar Cane Technol 14:206-216). Todos os cultivares modernos são derivados essencialmente de algumas etapas de inter-cruzamentos destes híbridos interespecíficos (Arceneaux G (1967) Cultivated sugarcanes of the world and their botanical derivation. Proc Int Soc Sugar Cane Technol 12:844-854; Price S (1965) Interspecific hybridization in sugarcane breeding. Proc Int Soc Sugar Cane Technol 12:1021-1026).[05] Interspecific hybridization represented a milestone in modern breeding, as it not only solved the problem for a large number of diseases, but also allowed for increased productivity, sugar content, ratoon sprouting and resistance to stress (Roach BT (1972) Nobilization of sugarcane. Proc Int Soc Sugar Cane Technol 14:206-216). All modern cultivars are essentially derived from some interbreeding steps of these interspecific hybrids (Arceneaux G (1967) Cultivated sugarcanes of the world and their botanical derivation. Proc Int Soc Sugar Cane Technol 12:844-854; Price S (1965) Interspecific hybridization in sugarcane breeding. Proc Int Soc Sugar Cane Technol 12:1021-1026).
[06] Ao mesmo tempo em que a obtenção de híbridos representa um marco dos programas de melhoramento tradicional, tal tecnoclogia trouxe à genômica um desafio formidável.[06] While obtaining hybrids represents a milestone in traditional breeding programs, this technology has brought genomics a formidable challenge.
[07] O gênero Saccharum inclui seis grupos taxonômicos poliplóides: duas espécies selvagens, S. spontaneum (2n=40 a 128) e S. robustum (2n= 60, 80 e até 200); três grupos de cultivares ancestrais, S. officinarum (2n= 80), S. barberi (2n=81-124), e S. sinense (2n=116-120); e o grupo marginal estéril, S. edule (2n = 60 a 122) (Daniels J, Roach BT (1987) Taxonomy and evolution in sugarcane, p 7-84. In: Heinz DJ (ed), Sugarcane improvement through breeding, Elsevier Press, Amsterdam (review in Daniels and Roach 1987; Sreenivasan TV, Ahloowalia BS, Heinz DJ (1987) Cytogenetics. P. 211-253 In: Heinz DJ (ed), Sugarcane improvement through breeding. Elsevier, Amsterdam).[07] The genus Saccharum includes six polyploid taxonomic groups: two wild species, S. spontaneum (2n=40 to 128) and S. robustum (2n=60, 80 and up to 200); three groups of ancestral cultivars, S. officinarum (2n=80), S. barberi (2n=81-124), and S. sinense (2n=116-120); and the sterile marginal group, S. edule (2n = 60 to 122) (Daniels J, Roach BT (1987) Taxonomy and evolution in sugarcane, p 7-84. In: Heinz DJ (ed), Sugarcane improvement through breeding, Elsevier Press, Amsterdam (review in Daniels and Roach 1987; Sreenivasan TV, Ahloowalia BS, Heinz DJ (1987) Cytogenetics. P. 211-253 In: Heinz DJ (ed), Sugarcane improvement through breeding. Elsevier, Amsterdam).
[08] Os cultivares modernos são altamente poliplóides e aneuplóides, com cerca de 120 cromossomos. Estudos GISH de preparações de cromossomos determinaram que 15-25% dos cromossomos são derivados de S. spontaneum e que a recombinação de cromossomos homólogos faz- se possível (D’Hont A, Grivet L, Feldmann P, Rao PS, Berding, N, et al. (1996) Characterisation of the double genome structure of modern sugarcane cultivars (Saccharun spp) by molecular cytogenetics. Mol Gen Genet 250:405-413; Piperidis G, D’Hont A (2001) Chromosome composition analysis of various Saccharum interspecific hybrids by genomic in situ hybridisation (GISH). Proc Int Soc Sugar Cane Technol 11:565-566; Cuadrado A, Acevedo R, Moreno Dias de la Espina S, Jouve N, de la Torre C (2004) Genome remodelling in three modern S. officinarum x S. spontaneum sugarcane cultivars. J Exp Bot 55:847-854). Estima-se que o tamanho do genoma de S. officinarum (2n=8x=80) seja de 7.68 pg, o que corresponde a 7440 mega pares de bases (Mbp) para uma célula somática e a 926 Mbp para o genoma monoploide (x=10) (D’Hont A, Glaszmann JC (2001) Sugarcane genome analysis with molecular markers, a first decade of research. Proc Int Soc Sugar Cane Technol 24:556-559). Para S. spontaneum com 2n=8x=64, o tamanho do genoma foi estimado em 6.30 pg, o que corresponde a 6,080 Mbp para uma célula somática e a 760 Mbp para o genoma monoplóide (x=8) (D’Hont A, Glaszmann JC (2001) Sugarcane genome analysis with molecular markers, a first decade of research. Proc Int Soc Sugar Cane Technol 24:556-559). Também, com cerca de 760 a 926 Mbp, o tamanho do genoma monoplóide básico de Saccharum é cerca de o dobro do tamanho do arroz (389 Mbp), similar ao de Sorghum bicolor Moench (760 Mbp), e significativamente menor que o de milho (2500 Mbp). O tamanho do genoma de uma célula somática (2C) do cultivar moderno R570 (2n= cerca de 115) foi estimado em 10,000 Mb (D’Hont A (2005) Unravelling the genome structure of polyploids using FISH and GISH; examples of sugarcane and banana. Cytogenet Genome Res 109 (1-3): 27-33).[08] Modern cultivars are highly polyploid and aneuploid, with about 120 chromosomes. GISH studies of chromosome preparations have determined that 15-25% of chromosomes are derived from S. spontaneum and that recombination of homologous chromosomes is possible (D'Hont A, Grivet L, Feldmann P, Rao PS, Berding, N, et al (1996) Characterization of the double genome structure of modern sugarcane cultivars (Saccharun spp) by molecular cytogenetics Mol Gen Genet 250:405-413; Piperidis G, D'Hont A (2001) Chromosome composition analysis of various Saccharum interspecific hybrids by genomic in situ hybridization (GISH) Proc Int Soc Sugar Cane Technol 11:565-566; Cuadrado A, Acevedo R, Moreno Dias de la Espina S, Jouve N, de la Torre C (2004) Genome remodeling in three modern S. officinarum x S. spontaneum sugarcane cultivars. J Exp Bot 55:847-854). It is estimated that the genome size of S. officinarum (2n=8x=80) is 7.68 pg, which corresponds to 7440 mega base pairs (Mbp) for a somatic cell and to 926 Mbp for the monoploid genome (x =10) (D'Hont A, Glaszmann JC (2001) Sugarcane genome analysis with molecular markers, the first decade of research. Proc Int Soc Sugar Cane Technol 24:556-559). For S. spontaneum with 2n=8x=64, the genome size was estimated at 6.30 pg, which corresponds to 6.080 Mbp for a somatic cell and 760 Mbp for the monoploid genome (x=8) (D'Hont A, Glaszmann JC (2001) Sugarcane genome analysis with molecular markers, the first decade of research. Proc Int Soc Sugar Cane Technol 24:556-559). Also, at about 760 to 926 Mbp, the size of the basic monoploid genome of Saccharum is about twice the size of rice (389 Mbp), similar to that of Sorghum bicolor Moench (760 Mbp), and significantly smaller than that of maize. (2500 Mbp). The genome size of a somatic cell (2C) of the modern cultivar R570 (2n=about 115) was estimated to be 10,000 Mb (D'Hont A (2005) Unraveling the genome structure of polyploids using FISH and GISH; examples of sugarcane and banana Cytogenet Genome Res 109 (1-3): 27-33).
[09] Considera-se um grande desafio a análise do genoma da cana-de- açúcar, pois, um gene em média é representado por 10 alelos. Coleções de ESTs representavam até alguns anos, a alternativa mais rápida para uma caracterização inicial das sequências expressas podendo contribuir significativamente na identificação de genes associados a tratos agronômicos de interesse (como tolerância a estresses bióticos, abióticos, nutrição mineral, conteúdo de açúcar, entre outros), e também para a obtenção de informação funcional e evolucionária. Várias coleções de ESTs foram desenvolvidas (Carson DL, Botha FC (2000) Preliminary analysis of expressed sequence tags for sugarcane. Crop Sci 40:17691779; Carson DL, Botha FC (2002) Genes expressed in sugarcane maturing internodal tissue. Plant Cell Rep 20:1075-1081; Casu R, Dimmock C, Thomas M, Bower N, Knight D, et al. (2001) Genetic and expression profiling in sugarcane. Proc Int Soc Sugar Cane Technol 24:542-546; Casu RE, Grof CP, Rae AL, McIntyre CL, Dimmock CM, et al. (2003) Identification of a novel sugar transporter homologue strongly expressed in maturing stem vascular tissues of sugarcane by expressed sequence tag and microarray analysis. Plant Mol Biol 52:371-86; Ma HM, Schulze S, Lee S, Yang M, Mirkov E, et al. (2004) An EST survey of the sugarcane transcriptome. Theor Appl Genet 108:851-863) sendo que a maior delas, denominada SUCEST, foi uma iniciativa brasileira (Vettore AL, da Silva FR, Kemper EL, Souza GM, da Silva AM, et al. (2003) Analysis and functional annotation of an expressed sequence tag collection for tropical crop sugarcane. Genome Res 13:2725-35).[09] The analysis of the sugarcane genome is considered a great challenge, as an average gene is represented by 10 alleles. Collections of ESTs represented, until a few years ago, the fastest alternative for an initial characterization of the expressed sequences, which could significantly contribute to the identification of genes associated with agronomic tracts of interest (such as tolerance to biotic and abiotic stresses, mineral nutrition, sugar content, among others ), and also to obtain functional and evolutionary information. Several collections of ESTs have been developed (Carson DL, Botha FC (2000) Preliminary analysis of expressed sequence tags for sugarcane. Crop Sci 40:17691779; Carson DL, Botha FC (2002) Genes expressed in sugarcane maturing internadal tissue. Plant Cell Rep 20 :1075-1081; Casu R, Dimmock C, Thomas M, Bower N, Knight D, et al (2001) Genetic and expression profiling in sugarcane. Proc Int Soc Sugar Cane Technol 24:542-546; Casu RE, Grof CP , Rae AL, McIntyre CL, Dimmock CM, et al (2003) Identification of a novel sugar transporter homologue strongly expressed in maturing vascular stem tissues of sugarcane by expressed sequence tag and microarray analysis Plant Mol Biol 52:371-86; HM, Schulze S, Lee S, Yang M, Mirkov E, et al. (2004) An EST survey of the sugarcane transcriptome. Theor Appl Genet 108:851-863), the largest of which, called SUCEST, was a Brazilian initiative (Vettore AL, da Silva FR, Kemper EL, Souza GM, da Silva AM, et al. (2003) Analysis and functional annotation of an expressed sequence tag collection for tropical crop sugarcane. Genome Res 13:2725-35).
[10] Todos os ESTs públicos foram montados em contigs ou sequências consenso putativas (transcritos virtuais), singletons e transcritos maduros no denominado Sugarcane Gene Index (SGI; http://compbio.dfci.harvard.edu/tgi/cgi-bin/tgi/gimain.pl?gudb=s officinarum).[10] All public ESTs were assembled into contigs or putative consensus sequences (virtual transcripts), singletons, and mature transcripts in the so-called Sugarcane Gene Index (SGI; http://compbio.dfci.harvard.edu/tgi/cgi-bin/ tgi/gimain.pl?gudb=s officinarum).
[11] A coleção SUCEST, derivada dos transcritos obtidos a partir de vários cultivares brasileiros, foi agrupada em 43,141 possíveis transcritos únicos, também conhecidos como sugarcane assembled sequences (SAS) http://sucest-fun.org (Vettore AL, da Silva FR, Kemper EL, Souza GM, da Silva AM, et al. (2003) Analysis and functional annotation of an expressed sequence tag collection for tropical crop sugarcane. Genome Res 13:272535).[11] The SUCEST collection, derived from transcripts obtained from various Brazilian cultivars, was grouped into 43,141 possible unique transcripts, also known as sugarcane assembled sequences (SAS) http://sucest-fun.org (Vettore AL, da Silva FR, Kemper EL, Souza GM, da Silva AM, et al. (2003) Analysis and functional annotation of an expressed sequence tag collection for tropical crop sugarcane. Genome Res 13:272535).
[12] Vários estudos descreveram e discutiram possíveis funções das sequências obtidas, em particular para genes envolvidos em metabolismo geral, sinalização, crescimento, desenvolvimento e resposta a estresses (Menossi, M., Silva-Filho, M. C., Vincentz, M. Van-Sluys, M. A. e Souza, G. M. (2008). Sugarcane Functional Genomics: gene discovery for agronomic trait development. Int. J. Plant Genomics (eprint 2008:458732). Cerca de 30% dos transcritos identificados não possuem similaridade com genes encontrados nos bancos de dados públicos.[12] Several studies have described and discussed possible functions of the obtained sequences, in particular for genes involved in general metabolism, signaling, growth, development and stress response (Menossi, M., Silva-Filho, MC, Vincentz, M. Van- Sluys, MA and Souza, GM (2008) Sugarcane Functional Genomics: discovery gene for agronomic trait development Int. J. Plant Genomics (eprint 2008:458732) About 30% of the identified transcripts do not have similarity to genes found in the banks of public data.
[13] O perfil de expressão do colmo da cana-de-açúcar tem sido extensivamente estudado. A cana particiona o carbono em sacarose, que se acumula nos colmos, em oposição às sementes, o que é o mais comum na maioria das gramíneas cultivadas. Esta capacidade intrigante e única da cana, selecionada pelo homem, que inicialmente mastigava os talos doces, e que posteriormente foi incorporada aos programas de melhoramento, tem sido alvo de inúmeros estudos. A sacarose acumulada chega a atingir cerca de 0,7 M nos entrenós maduros (Moore PH: Temporal and spatial regulation of sucrose accumulation in the sugarcane stem. Austr J Plant Physiol 1995, 22:661-679), o que corresponde a aproximadamente 50% do peso seco. Esta especialização fisiológica torna a cana um importante modelo de estudos dos processos de síntese, transporte e acúmulo de açúcares.[13] The expression profile of the sugarcane stalk has been extensively studied. Sugarcane partitions carbon into sucrose, which accumulates in the stalks, as opposed to seeds, which is most common in most cultivated grasses. This intriguing and unique capacity of sugarcane, selected by man, who initially chewed the sweet stalks, and which was later incorporated into improvement programs, has been the subject of numerous studies. Accumulated sucrose reaches about 0.7 M in mature internodes (Moore PH: Temporal and spatial regulation of sucrose accumulation in the sugarcane stem. Austr J Plant Physiol 1995, 22:661-679), which corresponds to approximately 50 % of dry weight. This physiological specialization makes sugarcane an important model for studying the processes of synthesis, transport and accumulation of sugars.
[14] A regulação da expressão gênica representa um dos mecanismos utilizados pelas plantas para responder aos estímulos internos e externos. As regiões regulatórias dos genes, os promotores, são capazes de detectar estes sinais e ativar ou reprimir a expressão gênica. O promotor é o processador central da regulação de um gene uma vez que contém os sítios de ligação para as RNAs polimerases, responsáveis pela transcrição gênica.[14] The regulation of gene expression represents one of the mechanisms used by plants to respond to internal and external stimuli. The regulatory regions of genes, the promoters, are capable of detecting these signals and activating or repressing gene expression. The promoter is the central processor of the regulation of a gene since it contains the binding sites for RNA polymerases, responsible for gene transcription.
[15] A identificação de regiões promotoras de genes de interesse é essencial para a montagem das redes regulatórias já que representam uma entidade hardwired no processo de reconhecimento dos TFs e seus respectivos genes alvos.[15] The identification of promoter regions of genes of interest is essential for the assembly of regulatory networks as they represent a hardwired entity in the recognition process of TFs and their respective target genes.
[16] Tradicionalmente as regiões promotoras são clonadas por Genome Walking utilizando-se primers nested e primers de um gene de interesse para a amplificação de regiões a 5' deste a partir de bibliotecas genômicas (Siebert PD, Chenchik A, Kellogg DE, Lukyanov KA, Lukyanov SA: An improved PCR method for walking in uncloned genomic DNA. Nucleic acids research 1995, 23(6):1087-1088; Devic M, Albert, S., Delseny, M., Roscoe, T.J.: Efficient PCR walking on plant genomic DNA. Plant Physiology and Biochemistry 1997, 35(4):331-339). Alternativamente,regiões promotoras são estimadas a partir de dados de sequenciamento de genomas completos e clonadas utilizando-se primers específicos a partir de DNA genômico. Em todos os casos, as sequências clonadas devem ser testadas in vivo para a expressão de um gene repórter. Sequências promotoras podem se extender comumente de 500 pb a 5kb, e não raramente até 20 kb, o que dificulta a clonagem de promotores em larga escala.[16] Traditionally, promoter regions are cloned by Genome Walking using nested primers and primers of a gene of interest for the amplification of regions 5' from this one from genomic libraries (Siebert PD, Chenchik A, Kellogg DE, Lukyanov KA , Lukyanov SA: An improved PCR method for walking in uncloned genomic DNA. Nucleic acids research 1995, 23(6):1087-1088; Devic M, Albert, S., Delseny, M., Roscoe, TJ: Efficient PCR walking on plant genomic DNA, Plant Physiology and Biochemistry 1997, 35(4):331-339). Alternatively, promoter regions are estimated from complete genome sequencing data and cloned using specific primers from genomic DNA. In all cases, cloned sequences must be tested in vivo for expression of a reporter gene. Promoter sequences can commonly extend from 500 bp to 5kb, and not infrequently up to 20 kb, which makes it difficult to clone promoters on a large scale.
[17] A disponibilidade de promotores tecido-específicos e constitutivos é critica para o desenvolvimento de plantas transgênicas. Atualmente, os promotores mais utilizados em plantas geneticamente modificadas são o promotor 35S do vírus do mosaico da couve flor (CaMV35S) e os promotores dos genes da nopalina e octopina de Agrobacterium tumefaciens. Apesar dos grandes avanços que têm sido obtidos com esses promotores, os padrões de expressão dos transgenes são variados e baixos em alguns casos (Zheng Z, Kawagoe Y, Xiao S, Li Z, Okita T, Hau TL, Lin A, Murai N: 5' distal and proximal cis-acting regulator elements are required for developmental control of a rice seed storage protein glutelin gene. Plant J 1993, 4(2):357-366; Green J, Vain, P., Fearnehough, M.T., Worland, B., Snape, J.W., Atkinson, H.J.: Analysis of the expression patterns of the Arabidopsis thaliana tubulin-1 and Zea mays ubiquitin-1 promoters in rice plants in association with nematode infection. Physiological and Molecular Plant Pathology 2002, 60:197-205) não havendo garantia de expressão no tecido adequado (Neuteboom LW, Kunimitsu, W.Y., Webb, D., Christopher, D.A.: Characterization and tissue-regulated expression of genes involved in pineapple (Ananas comosus L.) root development. Plant Sci 2002, 163:1021-1035.)[17] The availability of tissue-specific and constitutive promoters is critical for the development of transgenic plants. Currently, the most used promoters in genetically modified plants are the 35S promoter of the cauliflower mosaic virus (CaMV35S) and the promoters of the nopaline and octopine genes of Agrobacterium tumefaciens. Despite the great advances that have been made with these promoters, the expression patterns of transgenes are varied and low in some cases (Zheng Z, Kawagoe Y, Xiao S, Li Z, Okita T, Hau TL, Lin A, Murai N: 5' distal and proximal cis-acting regulator elements are required for developmental control of the rice seed storage protein glutelin gene. Plant J 1993, 4(2):357-366; Green J, Vain, P., Fearnehough, MT, Worland , B., Snape, JW, Atkinson, HJ: Analysis of the expression patterns of Arabidopsis thaliana tubulin-1 and Zea mays ubiquitin-1 promoters in rice plants in association with nematode infection. -205) with no guarantee of expression in adequate tissue (Neuteboom LW, Kunimitsu, WY, Webb, D., Christopher, DA: Characterization and tissue-regulated expression of genes involved in pineapple (Ananas comosus L.) root development. Plant Sci 2002, 163:1021-1035.)
[18] O promotor Ubil do gene ubiquitina do milho é muito ativo em monocotiledônias (Christensen AH, Quail PH: Ubiquitin promoter-based vectors for high-level expression of selectable and/or screenable marker genes in monocotyledonous. Transgenic Res 1996, 5(3):213-218), produzindo expressão significativamente superior a outros promotores, como o CaMV35S, o promotor sintético Emu (Last KI, Brettell, R. I. S., Chamberlain, D. A., Chaudhury, A. M., Larkin, P. J., Marsch, E. L., Peacock, W. J., Dennis, E. S.: pEmu: an improved promoter for gene expression in cereal cells. Theor Appl Genet 1991, 81:581-588) e o promotor da actina do arroz (Act1) (McElroy D, Blowers AD, Jenes B, Wu R: Construction of expression vectors based on the rice actin 1 (Act1) 5' region for use in monocot transformation. Mol Gen Genet 1991, 231(1):150-160). O promotor Ubi-1 é ainda o mais utilizado nas pesquisas atuais para expressão constitutiva de transgenes em cana-de-açúcar (Lakshmanan P, Geijskes, R.J., Aitken, K.S., Grof, C.L.P., Bonnett, G.D., Smith: Sugarcane Biotechnology: The Challenges and Opportunities. In Vitro Cell Dev Biol Plant 2005, 41:345-363).[18] The Ubil promoter of the ubiquitin gene in maize is very active in monocotyledons (Christensen AH, Quail PH: Ubiquitin promoter-based vectors for high-level expression of selectable and/or screenable marker genes in monocotyledonous. Transgenic Res 1996, 5() 3):213-218), producing significantly higher expression than other promoters such as CaMV35S, the synthetic Emu promoter (Last KI, Brettell, RIS, Chamberlain, DA, Chaudhury, AM, Larkin, PJ, Marsch, EL, Peacock, WJ, Dennis, ES: pEmu: an improved promoter for gene expression in cereal cells. Theor Appl Genet 1991, 81:581-588) and the rice actin promoter (Act1) (McElroy D, Blowers AD, Jenes B, Wu R: Construction of expression vectors based on rice actin 1 (Act1) 5' region for use in monocot transformation. Mol Gen Genet 1991, 231(1):150-160). The Ubi-1 promoter is still the most used in current research for constitutive expression of transgenes in sugarcane (Lakshmanan P, Geijskes, RJ, Aitken, KS, Grof, CLP, Bonnett, GD, Smith: Sugarcane Biotechnology: The Challenges and Opportunities, In Vitro Cell Dev Biol Plant 2005, 41:345-363).
[19] Em estudos recentes, percebe-se o grande interesse em desenvolver promotores mais adequados para cana-de-açúcar (Liu DW, Oard, S. V., Oard, J. H.: High transgene expression levels in sugarcane (Saccharum officinarum L.) driven by the rice ubiquitin promoter RUBQ2. Plant Sci 2003, 165:743-750; Braithwaite KS, Geijskes, R.J., Smith, G.R.: A variable region of the SCBV genome can be used to generate a range of promoters for transgene expression in sugarcane. Plant Cell Rep 2004, 23:319-326). Embora um padrão relativamente constante seja mantido, tais promotores podem conduzir modelos de expressão distintos quando introduzidos em diferentes espécies, tipos celulares ou condições de cultivo, não havendo garantia de expressão no tecido desejado (Neuteboom LW, Kunimitsu, W.Y., Webb, D., Christopher, D.A.: Characterization and tissue-regulated expression of genes involved in pineapple (Ananas comosus L.) root development. Plant Sci 2002, 163:1021-1035; Benfey PN, Chua, N.H.: Regulated genes in transgenic plants. Science (New York, NY 1989, 244:174-181).[19] In recent studies, there is great interest in developing more suitable promoters for sugarcane (Liu DW, Oard, SV, Oard, JH: High transgene expression levels in sugarcane (Saccharum officinarum L.) driven by the rice ubiquitin promoter RUBQ2. Plant Sci 2003, 165:743-750; Braithwaite KS, Geijskes, RJ, Smith, GR: The region variable of the SCBV genome can be used to generate a range of promoters for transgene expression in sugarcane. Cell Rep 2004, 23:319-326). Although a relatively constant pattern is maintained, such promoters can drive different expression models when introduced in different species, cell types or culture conditions, with no guarantee of expression in the desired tissue (Neuteboom LW, Kunimitsu, WY, Webb, D., Christopher, DA: Characterization and tissue-regulated expression of genes involved in pineapple (Ananas comosus L.) root development. Plant Sci 2002, 163:1021-1035; Benfey PN, Chua, NH: Regulated genes in transgenic plants. Science (New York, NY 1989, 244:174-181).
[20] O uso de promotores constitutivos representa uma das causas de grande preocupação em relação aos efeitos dos organismos transgênicos no meio ambiente. Promotores como o CaMV35S, por exemplo, quando ligados a genes utilizados para seleção de transformantes (genes de resistência a antibióticos) determinam, em geral, a expressão do produto gênico em todos os tecidos da planta. Tal característica, desnecessária e indesejável em vegetais geneticamente modificados, tende a diminuir a aceitação dos produtos derivados pelos consumidores.[20] The use of constitutive promoters represents one of the causes of great concern regarding the effects of transgenic organisms on the environment. Promoters such as CaMV35S, for example, when linked to genes used for selection of transformants (antibiotic resistance genes) determine, in general, the expression of the gene product in all plant tissues. Such feature, unnecessary and undesirable in genetically modified vegetables, tends to reduce the acceptance of derived products by consumers.
[21] Ainda, a expressão constitutiva de um gene-alvo em plantas pode acarretar problemas fenotípicos, tais como, nanismo e deficiência no desenvolvimento e crescimento. Por exemplo, a expressão de DREB1A sob controle do promotor CaMV35S melhora o desempenho das plantas transgênicas em relação ao tipo selvagem durante o estresse hídrico, entretanto, as plantas transgênicas apresentaram baixo crescimento e desenvolvimento (Liu Q, Kasuga M, Sakuma Y, Abe H, Miura S, Yamaguchi-Shinozaki K, Shinozaki K: Two transcription factors, DREB1 and DREB2, with an EREBP/AP2 DNA binding domain separate two cellular signal transduction pathways in drought- and low-temperature- responsive gene expression, respectively, in Arabidopsis. The Plant cell 1998, 10(8):1391-1406).[21] Furthermore, the constitutive expression of a target gene in plants can lead to phenotypic problems, such as dwarfism and developmental and growth deficiency. For example, the expression of DREB1A under the control of the CaMV35S promoter improves the performance of transgenic plants compared to wild type during water stress, however, transgenic plants showed poor growth and development (Liu Q, Kasuga M, Sakuma Y, Abe H , Miura S, Yamaguchi-Shinozaki K, Shinozaki K: Two transcription factors, DREB1 and DREB2, with an EREBP/AP2 DNA binding domain separate two cellular signal transduction pathways in drought- and low-temperature-responsive gene expression, respectively, in Arabidopsis The Plant Cell 1998, 10(8):1391-1406).
[22] O isolamento de promotores específicos é fundamental para respostas adaptativas de forma a minimizar os efeitos indesejáveis comuns às plantas geneticamente modificadas, tais como, alterações morfológicas, silenciamento, expressão temporal e espacial alterada.[22] The isolation of specific promoters is essential for adaptive responses in order to minimize the undesirable effects common to genetically modified plants, such as morphological alterations, silencing, altered temporal and spatial expression.
[23] Em cana-de-açúcar, pouco se conhece sobre a especificidade de promotores em um dado tecido. A manipulação de produtos que se acumulam no colmo ou o controle bem sucedido de pragas da cana-de- açúcar que se desenvolvem em colmos e raízes através de uma abordagem transgênica depende muito da disponibilidade de promotores que sejam específicos ou altamente ativos nestes alvos (Lakshmanan P, Geijskes, R.J., Aitken, K.S., Grof, C.L.P., Bonnett, G.D., Smith: Sugarcane Biotechnology: The Challenges and Opportunities. In Vitro Cell Dev Biol Plant 2005, 41:345-363). Promotores específicos de colmo foram descritos recentemente (Hansom S, Bower, R., Zhang, L., Potier, B., Elliot, A., Basnayake, S., Cordeiro, G., Hogarth, D. M., Cox, M., Berding, N., Birch, R. G.: Regulation of transgene expression in sugarcane. Proc Int Soc Sugar Cane Technol 1999, 23:278-289).[23] In sugarcane, little is known about the specificity of promoters in a given tissue. The handling of products that accumulate on the stalk or the successful control of sugarcane pests that develop on stalks and roots through a transgenic approach depends very much on the availability of promoters that are specific or highly active on these targets (Lakshmanan P, Geijskes, RJ, Aitken, KS, Grof, CLP, Bonnett, GD, Smith: Sugarcane Biotechnology: The Challenges and Opportunities, In Vitro Cell Dev Biol Plant 2005, 41:345-363). Stem specific promoters have recently been described (Hansom S, Bower, R., Zhang, L., Potier, B., Elliot, A., Basnayake, S., Lamb, G., Hogarth, DM, Cox, M., Berding, N., Birch, RG: Regulation of transgene expression in sugarcane. Proc Int Soc Sugar Cane Technol 1999, 23:278-289).
[24] Os registros de promotores que são capazes de promover expressão estável em cana-de-açúcar são escassos. Faltam avaliações detalhadas da atividade destes promotores em todas as fases de desenvolvimento da cana-de-açúcar, desde o estágio de plântula até a planta adulta (Lakshmanan P, Geijskes, R.J., Aitken, K.S., Grof, C.L.P., Bonnett, G.D., Smith: Sugarcane Biotechnology: The Challenges and Opportunities. In Vitro Cell Dev Biol Plant 2005, 41:345-363) e uma avaliação do potencial de expressão de transgenes.[24] Records of promoters that are capable of promoting stable expression in sugarcane are scarce. Detailed evaluations of the activity of these promoters are lacking in all stages of sugarcane development, from the seedling stage to the adult plant (Lakshmanan P, Geijskes, RJ, Aitken, KS, Grof, CLP, Bonnett, GD, Smith : Sugarcane Biotechnology: The Challenges and Opportunities. In Vitro Cell Dev Biol Plant 2005, 41:345-363) and an assessment of the potential for expression of transgenes.
[25] Apesar do bom conhecimento da biologia da cana-de-açúcar e a eficiente prática do seu cultivo, o desenvolvimento da tecnologia dessa planta, ainda, encontra-se no início de uma caracterização detalhada bioquímica e genética (Hotta, C. T., Lembke, C. G., Ochoa, E. A., Cruz, G. M. Q., Domingues, D. S., Hoshino, A. A., Santos, W. D., Souza, A. P., Crivellari, A., Marconi, T. G., Santos, M. O., Melotto-Passarin, D. M., Mollinari, M., Margarido, G. R. A., Carrer, H., Souza, A. P., Garcia, A. A. F., Buckeridge, M. S., Menossi, M., Van Sluys, M-A. and Souza, G. M. The biotechnology roadmap for sugarcane improvement. Tropical Plant Biology. In press).[25] Despite the good knowledge of sugarcane biology and the efficient practice of its cultivation, the development of this plant's technology is still at the beginning of a detailed biochemical and genetic characterization (Hotta, CT, Lembke , CG, Ochoa, EA, Cruz, GMQ, Domingues, DS, Hoshino, AA, Santos, WD, Souza, AP, Crivellari, A., Marconi, TG, Santos, MO, Melotto-Passarin, DM, Mollinari, M. , Margarido, GRA, Carrer, H., Souza, AP, Garcia, AAF, Buckeridge, MS, Menossi, M., Van Sluys, MA. and Souza, GM .
[26] Existe uma necessidade premente de obtenção de informações que permitam o desenvolvimento biotecnológico e viabilize o sucesso ao longo prazo desta indústria.[26] There is a pressing need to obtain information that will enable biotechnological development and enable the long-term success of this industry.
[27] Projetos de sequenciamento em larga escala, como o SUCEST não somente identificam genes, mas também permitem o desenvolvimento de ferramentas para a busca de promotores. Apesar do papel individual de muitos genes ter sido revelado a estrutura maior do sistema, ainda, é desconhecida.[27] Large-scale sequencing projects such as SUCEST not only identify genes, but also allow the development of tools to search for promoters. Although the individual role of many genes has been revealed, the larger structure of the system is still unknown.
[28] Em 50 anos de pesquisa com cana-de-açúcar, os processos e enzimas envolvidas no acúmulo de sacarose foram identicados e usados para produzir transgênicos, mas os resultados, ainda não são encorajadores, em parte devido à regulação complexa, falta de promotores adequados e processos de feedback (Moore G: Cereal genome evolution: pastoral pursuits with 'Lego' genomes. Current opinion in genetics & development 1995, 5(6):717-724).[28] In 50 years of sugarcane research, the processes and enzymes involved in sucrose accumulation have been identified and used to produce transgenics, but the results are still not encouraging, in part due to complex regulation, lack of suitable promoters and feedback processes (Moore G: Cereal genome evolution: pastoral pursuits with 'Lego' genomes. Current opinion in genetics & development 1995, 5(6):717-724).
[29] A primeira cana-de-açúcar transgênica foi obtida em 1992, mas até o momento não existe cana geneticamente modificada comercial pela falta de estabilidade da expressão do transgene.[29] The first transgenic sugarcane was obtained in 1992, but so far there is no commercial genetically modified sugarcane due to the lack of stability in the expression of the transgene.
[30] A biotecnologia na agricultura tornou-se uma ferramenta importante para o melhoramento genético e o aumento da produção. Dada a importância da cana-de-açúcar, é grande o esforço em todos os setores relacionados com a indústria sucro-alcooleira para a melhoria do cultivo desta cultura, priorizando a busca por variedades melhoradas, melhor adaptadas a condições ambientais adversas e resistentes a patógenos e pragas.[30] Biotechnology in agriculture has become an important tool for genetic improvement and increased production. Given the importance of sugarcane, there is great effort in all sectors related to the sugar-alcohol industry to improve the cultivation of this crop, prioritizing the search for improved varieties, better adapted to adverse environmental conditions and resistant to pathogens and pests.
[31] Em geral, o foco das empresas de biotecnologia tem sido a busca de genes e promotores que possam servir para a produção de plantas transgênicas resistentes a herbicidas e insetos e, mais recentemente nota- se a busca por promotores tecido-específicos que possam dirigir a expressão de genes para o aumento de biomassa, aumento de sacarose, tolerância à seca e teor de fibra. Neste último caso, visa-se a produção de cana-de-açúcar com a parede celular alterada para que o bagaço da cana seja menos recalcitrante à ação de enzimas hidrolases que liberem os resíduos de glicose da celulose e hemicelulose e permitam que os mesmos sejam fermentados aumentando a quantidade de etanol produzida por hectare de planta.[31] In general, the focus of biotechnology companies has been the search for genes and promoters that can serve for the production of transgenic plants resistant to herbicides and insects and, more recently, the search for tissue-specific promoters that can be noted direct gene expression to increase biomass, increase sucrose, drought tolerance and fiber content. In the latter case, the aim is to produce sugarcane with an altered cell wall so that the sugarcane bagasse is less recalcitrant to the action of hydrolase enzymes that release the glucose residues from cellulose and hemicellulose and allow them to be fermented increasing the amount of ethanol produced per hectare of plant.
[32] A perspectiva da produção de etanol a partir do bagaço (etanol celulósico), além da produção de etanol a partir da sacarose, tecnologia que o Brasil já domina, tem trazido investimentos em P&D no setor podendo aumentar a produtividade da produção de etanol em 40-50%. Ressalta-se que um terço dos carbonos da cana-de-açúcar estão na sacarose, um terço no bagaço e um terço na palha. Atualmente, o bagaço e palha são queimados em caldeiras para a co-geração de energia elétrica, mas a disponibilidade de cana transgênica com maior potencial de sacarificação permite a criação de novas alternativas ao setor e agregar valor.[32] The prospect of ethanol production from bagasse (cellulosic ethanol), in addition to the production of ethanol from sucrose, a technology that Brazil already dominates, has brought investments in R&D in the sector, which may increase the productivity of ethanol production by 40-50%. It is noteworthy that one third of the carbon in sugarcane is in sucrose, one third in bagasse and one third in straw. Currently, bagasse and straw are burned in boilers to co-generate electricity, but the availability of transgenic sugarcane with greater saccharification potential allows the creation of new alternatives for the sector and adds value.
[33] O desenvolvimento de novas tecnologias envolvendo a manipulação da expressão de genes específicos pode incrementar diversas características de interesse agronômico. A regulação da expressão gênica representa um dos mecanismos utilizados pelas plantas para responder aos estímulos internos e externos. As regiões regulatórias dos genes, os promotores, são capazes de detectar estes sinais e ativar ou reprimir a expressão gênica (ROOK, F. e BEVAN, M. W. 2003. Genetic approaches to understanding sugar-response pathways. Journal of Experimental Botany. 54(382): 495-501).[33] The development of new technologies involving the manipulation of the expression of specific genes can increase several characteristics of agronomic interest. The regulation of gene expression represents one of the mechanisms used by plants to respond to internal and external stimuli. The regulatory regions of genes, the promoters, are capable of detecting these signals and activating or repressing gene expression (ROOK, F. and BEVAN, MW 2003. Genetic approaches to understanding sugar-response pathways. Journal of Experimental Botany. 54(382) ): 495-501).
[34] A identificação e a caracterização de elementos promotores em cana-de-açúcar são importantes ferramentas para a manipulação genética desta espécie. A disponibilidade de promotores tecido-específicos e constitutivos é critica para o desenvolvimento de plantas transgênicas, pois é necessário expressar os transgenes nos locais e nas quantidades adequadas para se obter respostas agronomicamente melhores.[34] The identification and characterization of sugarcane promoter elements are important tools for the genetic manipulation of this species. The availability of tissue-specific and constitutive promoters is critical for the development of transgenic plants, as it is necessary to express the transgenes in the places and in the adequate amounts to obtain better agronomic responses.
[35] Como descrito acima, existe no desenvolvimento de cana-de-açúcar o interesse de se obter plantas transgênicas com elevado teor de sacarose e melhor adaptadas às condições de estresse hídrico. No entanto, poucas sequências promotoras de cana-de-açúcar estão disponíveis para utilização no processo de transformação.[35] As described above, there is an interest in sugarcane development in obtaining transgenic plants with high sucrose content and better adapted to water stress conditions. However, few sugarcane promoter sequences are available for use in the transformation process.
[36] Embora não seja oriundo de cana-de-açúcar, o promotor Ubi-1 do gene ubiquitina de milho é muito ativo em monocotiledônias (CHRISTENSEN A. H. e QUAIL P. H. (1996). Ubiquitin promoter-based vectors for high-level expression of selectable and/or screenable marker genes in monocotyledonous plants. Transgenic Research 5, 213-218), produzindo expressão significativamente superior a outros promotores, entre eles, o CaMV35S e o promotor da actina do arroz (Act1) (MCELROY, D., BLOWERS, A. D., JENES, B., e WU, R. (1991). Construction of expression vectors based on the rice actin 1 (Act1) 50 region for use in monocot transformation. Mol. Gen. Genet. 231:150-160). O promotor Ubi- 1 é ainda o mais utilizado nas pesquisas atuais para expressão constitutiva de transgenes em cana-de-açúcar (LAKSHMANAN, P., GEIJSKES, R. J., AITKEN, K. S., GROF, C. L. P., BONNETT, G. D., e SMITH. (2005). Sugarcane Biotechnology: The Challenges andOpportunities. In Vitro Cell. Dev. Biol. Plant. 41:345-363).[36] Although not from sugarcane, the Ubi-1 promoter of the corn ubiquitin gene is very active in monocots (CHRISTENSEN AH and QUAIL PH (1996) Ubiquitin promoter-based vectors for high-level expression of selectable and/or screenable marker genes in monocotyledonous plants. Transgenic Research 5, 213-218), producing significantly higher expression than other promoters, including CaMV35S and the rice actin promoter (Act1) (MCELROY, D., BLOWERS , AD, JENES, B., and WU, R. (1991). Construction of expression vectors based on rice actin 1 (Act1) 50 region for use in monocot transformation. Mol. Gen. Genet. 231:150-160) . The Ubi-1 promoter is still the most used in current research for the constitutive expression of transgenes in sugarcane (LAKSHMANAN, P., GEIJSKES, RJ, AITKEN, KS, GROF, CLP, BONNETT, GD, and SMITH. ( 2005). Sugarcane Biotechnology: The Challenges and Opportunities. In Vitro Cell. Dev. Biol. Plant. 41:345-363).
[37] Ainda, é sabido do isolamento de dois promotores de genes da poliubiquitina, de cana-de-açúcar, que apresentaram expressão constitutiva em arroz (WEI, H., ALBERT, H. H., MOORE, P. H. (1999) Differential expression of sugarcane polyubiquitin genes and isolation of promoters from two highly expressed members of the gene family. J. Plant Physiol. 155:513-519; WEI, H., WANG, M. L., Moore P. H., ALBERT, H. H. (2003). Comparative expression analysis of two sugarcane polyubiquitin promoters and flanking sequences in transgenic plants. J Plant Physiol. 160(10):1241-51).[37] Furthermore, it is known from the isolation of two polyubiquitin gene promoters from sugarcane, which showed constitutive expression in rice (WEI, H., ALBERT, HH, MOORE, PH (1999) Differential expression of sugarcane polyubiquitin genes and isolation of promoters from two highly expressed members of the family gene, J. Plant Physiol. 155:513-519; WEI, H., WANG, ML, Moore PH, ALBERT, HH (2003). two sugarcane polyubiquitin promoters and flanking sequences in transgenic plants. J Plant Physiol. 160(10):1241-51).
[38] A expressão constitutiva de genes é essencial quando se deseja expressar uma proteína em altas quantidades e em todos os tecidos. No entanto, esta estratégia não se aplica quando é necessário expressar um gene em um determinado tecido e em menor quantidade, a fim de se evitar um possível efeito deletério de concentrações agronomicamente tóxicas da proteína codificada pelo gene.[38] Constitutive gene expression is essential when one wants to express a protein in high amounts and in all tissues. However, this strategy does not apply when it is necessary to express a gene in a certain tissue and in a smaller amount, in order to avoid a possible deleterious effect of agronomically toxic concentrations of the protein encoded by the gene.
[39] Alguns promotores tecido-específicos ativos em monocotiledôneas são isolados apresentando expressão específica durante a germinação de cevada (WOF, N. (1992). Structure of the genes encoding Hordeum vulgare (1,3-1,4)-beta-glucanase isoenzymes I and II and functional analysis of their promoters in barley aleurone protoplasts. Mol. Gen. Genet. 234(1), 33-42; JENSEN, L. G., OLSEN, O., KOPS, O., WOLF, N., THOMSEN, K. K., VON WETTSTEIN D. (1996). Transgenic barley expressing a protein- engineered, thermostable (1,3-1,4)-beta-glucanase during germination. Proc. Natl. Acad. Sci. 93(8), 3487-3491; MIKKONEN, A., PORALI, I, CERCOS, M., HO, T. H. (1996). A major cystein proteinase, EPB, in germinating barley seeds: structure to two introless genes and regulation of expression. Plant Molecular Biology, 31, 239-254; JENSEN, L. G., POLITZ, O., OLSEN, O., THOMSEN, K. K., VON WETTSTEIN, D. (1998). Inheritance of a Codon-Optimized Transgene Expressing Heat Stable (1,3- 1,4)-β-Glucanase in Scutellum and Aleurone of Germinating Barley. Hereditas. 129, 215-225;) e milho (MUHITCH, M. J., LIANG, H., RASTOGI, R., SOLLENBERGER, K. G. (2002) Isolation of a promoter sequence from the glutanine synthetase^ gene capable of conferring tisue-specific gene expression in transgenic maize. Plant Science, 163, 865-872) ou específica para tecidos do floema e xilema em arroz (YIN, Y., CHEN, L., BEACHY, R. (1997) Promoter elements required for phloem-specific gene expression from the RTBV promoter in rice. Plant Journal, 12, 1179-1188; ITO, H., HIRAGA, S., TSUGAWA, H., MATSUI, H., HONMA, M., OTSUKI, Y., MURAKAMI, T., OHASHI, Y. (2000) Xylem-specific expression of woundinducible rice peroxidase genes in transgeneic plants. Plant Science, 155, 85-100). No entanto, não são comprovadas as atividades destes promotores em específico para cana-de-açúcar.[39] Some tissue-specific promoters active in monocots are isolated and present specific expression during barley germination (WOF, N. (1992) Structure of the encoding genes Hordeum vulgare (1,3-1,4)-beta-glucanase isoenzymes I and II and functional analysis of their promoters in barley aleurone protoplasts Mol. Gen. Genet. 234(1), 33-42; JENSEN, LG, OLSEN, O., KOPS, O., WOLF, N., THOMSEN , KK, VON WETTSTEIN D. (1996) Transgenic barley expressing a protein-engineered, thermostable (1,3-1,4)-beta-glucanase during germination. Proc. Natl. Acad. Sci. 93(8), 3487 -3491; MIKKONEN, A., PORALI, I, CERCOS, M., HO, TH (1996). A major cystein proteinase, EPB, in germinating barley seeds: structure to two introless genes and regulation of expression. Plant Molecular Biology, 31, 239-254; JENSEN, LG, POLITZ, O., OLSEN, O., THOMSEN, KK, VON WETTSTEIN, D. (1998) Inheritance of a Codon-Optimized Transgene Expressing Heat Stable (1,3-1, 4)-β-Glucanase in Scutellu m and Aleurone of Germinating Barley. Hereditary. 129, 215-225;) and corn (MUHITCH, MJ, LIANG, H., RASTOGI, R., SOLLENBERGER, KG (2002) Isolation of a promoter sequence from the glutanine synthetase gene capable of conferring tisue-specific gene expression in transgenic maize. Plant Science, 163, 865-872) or specific for phloem and xylem tissues in rice (YIN, Y., CHEN, L., BEACHY, R. (1997) Promoter elements required for phloem-specific gene expression from the RTBV promoter in rice. Plant Journal, 12, 1179-1188; ITO, H., HIRAGA, S., TSUGAWA, H., MATSUI, H., HONMA, M., OTSUKI, Y., MURAKAMI, T., OHASHI, Y. (2000) Xylem-specific expression of woundinducible rice peroxidase genes in transgeneic plants. Plant Science, 155, 85-100). However, the activities of these promoters specifically for sugarcane are not proven.
[40] Em um estudo recente, o gene GUS dirigido por um promotor de UDP-glicose desidrogenase da cana-de-açúcar, mostrou a expressão do transgene regulada pelo estágio de desenvolvimento em folhas jovens e internódios em desenvolvimento (VAN DER MERWE, M. J., GROENEWALD, J. H., BOTHA, F. C. (2003). Isolation and evaluation of a developmentally regulated sugarcane promoter. Proc. South African Sugar Cane Technol. 77:146-169). Tal promotor sozinho foi inefetivo em dirigir a expressão do transgene em cana-de-açúcar, mas mostrou alta atividade do GUS quando fusionado a um íntron de (980 bp) derivado do 5’ UTR do mesmo gene. Além disso, outros fatores como mudanças pós- transcricionais, não estão previstas no sistema de estudo de promotores, não sendo, portanto, possível comparar o acúmulo de transcrito do gene com a atividade de seu promotor.[40] In a recent study, the GUS gene driven by a sugarcane UDP glucose dehydrogenase promoter showed developmental stage-regulated transgene expression in young leaves and developing internodes (VAN DER MERWE, MJ , GROENEWALD, JH, BOTHA, FC (2003). Isolation and evaluation of a developmentally regulated sugarcane promoter. Proc. South African Sugar Cane Technol. 77:146-169). Such promoter alone was ineffective in directing transgene expression in sugarcane, but showed high GUS activity when fused to an intron (980 bp) derived from the 5' UTR of the same gene. Furthermore, other factors such as post-transcriptional changes are not foreseen in the promoters study system, therefore, it is not possible to compare the gene transcript accumulation with the activity of its promoter.
[41] Adicionalmente, como já mencionado, a cana-de-açúcar é um organismo de genoma extremamente complexo, logo, não há a garantia de que a região promotora clonada seja realmente a região promotora do alelo funcional. Outro fato relevante, é que a transformação por biobalística é um evento de resultados pouco reprodutível, em que não há controle da região do genoma em que o DNA exógeno irá se integrar, além de estar associado a um elevado nível de silenciamento pós-transcricional.[41] Additionally, as already mentioned, sugarcane is an extremely complex genome organism, so there is no guarantee that the cloned promoter region is actually the promoter region of the functional allele. Another relevant fact is that biolistic transformation is an event with little reproducible results, in which there is no control of the region of the genome in which the exogenous DNA will integrate, in addition to being associated with a high level of post-transcriptional silencing.
[42] Recentemente foram identificados dois promotores Ubi de cana-de- açúcar, Ubi-4 e Ubi-9, capazes de produzir altos níveis de expressão transiente em calos de algumas espécies, como cana-de-açúcar e arroz (WEI, H., ALBERT, H. H., MOORE, P. H. (1999) Differential expression of sugarcane polyubiquitin genes and isolation of promoters from two highly expressed members of the gene family. J. Plant Physiol. 155:513-519; WEI, H., WANG, M. L., Moore P. H., ALBERT, H. H. (2003). Comparative expression analysis of two sugarcane polyubiquitin promoters and flanking sequences in transgenic plants. J Plant Physiol. 160(10):1241- 51). A caracterização futura destes promotores mostrou que Ubi-9 foi capaz de dirigir alta expressão de transgene em transformantes estáveis de arroz, mas não em cana-de-açúcar devido ao silenciamento pós- transcricional (WEI, H., WANG, M. L., Moore P. H., ALBERT, H. H. (2003). Comparative expression analysis of two sugarcane polyubiquitin promoters and flanking sequences in transgenic plants. J Plant Physiol. 160(10):1241-51).[42] Two sugarcane Ubi promoters, Ubi-4 and Ubi-9, capable of producing high transient expression levels in calli of some species, such as sugarcane and rice, have been recently identified (WEI, H ., ALBERT, HH, MOORE, PH (1999) Differential expression of sugarcane polyubiquitin genes and isolation of promoters from two highly expressed members of the family gene. J. Plant Physiol. 155:513-519; WEI, H., WANG, ML, Moore PH, ALBERT, HH (2003). Comparative expression analysis of two sugarcane polyubiquitin promoters and flanking sequences in transgenic plants. J Plant Physiol. 160(10):1241-51). Future characterization of these promoters showed that Ubi-9 was able to drive high transgene expression in stable rice transformants, but not in sugarcane due to post-transcriptional silencing (WEI, H., WANG, ML, Moore PH , ALBERT, HH (2003). Comparative expression analysis of two sugarcane polyubiquitin promoters and flanking sequences in transgenic plants. J Plant Physiol. 160(10):1241-51).
[43] A transformação por biobalística é ainda o principal método utilizado em cana-de-açúcar para introdução de transgenes. Os transformantes produzidos por este método mostram de fato grande variação na expressão dos transgenes (LAKSHMANAN, P., GEIJSKES, R. J., AITKEN, K. S., GROF, C. L. P., BONNETT, G. D., e SMITH. (2005). Sugarcane Biotechnology: The Challenges and Opportunities. In Vitro Cell. Dev. Biol. Plant. 41:345-363). O mecanismo de integração e rearranjo parece ser o mesmo nos dois sistemas, Agrobacterium e biobalística (SOMERS, D. A.; MAKAREVICH, I. (2004). Transgene integration in plants: poking or patching holes in promiscuous genomes?. Curr. Opin. Biotechnol. 15:126-131). No entanto, as transformações por biobalística são diferentes das mediadas por Agrobacterium. O método de biobalística freqüentemente resulta em plantas com cópias múltiplas e fragmentadas dos transgenes, o que é atribuído como causa do silenciamento do gene.[43] Biolistic transformation is still the main method used in sugarcane to introduce transgenes. The transformants produced by this method do show great variation in transgene expression (LAKSHMANAN, P., GEIJSKES, RJ, AITKEN, KS, GROF, CLP, BONNETT, GD, and SMITH. (2005). Sugarcane Biotechnology: The Challenges and Opportunities. In Vitro Cell. Dev. Biol. Plant. 41:345-363). The integration and rearrangement mechanism seems to be the same in both systems, Agrobacterium and biolistics (SOMERS, DA; MAKAREVICH, I. (2004). Transgene integration in plants: poking or patching holes in promiscuous genomes? Curr. Opin. Biotechnol. 15:126-131). However, biolistic transformations are different from those mediated by Agrobacterium. The biolistic method often results in plants with multiple and fragmented copies of the transgenes, which is attributed to the cause of gene silencing.
[44] Embora o mecanismo exato não seja conhecido em cana-de-açúcar, o silenciamento no transgene ocorre tanto no nível transcricional quanto pós-transcricional, por metilação do promotor e degradação do RNA, respectivamente (Ingelbrecht et al., 1999). Estas observações indicam que há registros de promotores que são capazes de promover um alto nível de expressão estável em cana-de-açúcar, entretanto, ainda falta uma avaliação detalhada da atividade destes promotores potencialmente úteis na direção da expressão dos transgenes em todas as fases de desenvolvimento da cana-de-açúcar, desde o estágio de plântula até a planta adulta (LAKSHMANAN, P., GEIJSKES, R. J., AITKEN, K. S., GROF, C. L. P., BONNETT, G. D., e SMITH. (2005). Sugarcane Biotechnology: The Challenges and Opportunities. In Vitro Cell. Dev. Biol. Plant. 41:345-363).[44] Although the exact mechanism is not known in sugarcane, transgene silencing occurs at both the transcriptional and post-transcriptional levels, by promoter methylation and RNA degradation, respectively (Ingelbrecht et al., 1999). These observations indicate that there are records of promoters that are capable of promoting a high level of stable expression in sugarcane, however, there is still a lack of detailed evaluation of the activity of these potentially useful promoters in the direction of transgene expression in all phases of sugarcane development, from the seedling stage to the adult plant (LAKSHMANAN, P., GEIJSKES, RJ, AITKEN, KS, GROF, CLP, BONNETT, GD, and SMITH. (2005). Sugarcane Biotechnology: The Challenges and Opportunities. In Vitro Cell. Dev. Biol. Plant. 41:345-363).
[45] A patente americana US 6.359.196 trata de sequências reguladoras de tecido específico, incluindo promotores de gene de cevada (Hordeum vulgare) que codificam alfa-glucosidase e cistatina-1 (inibidor da protease cisteína). Além disso, a patente refere-se a métodos de produção de plantas transgênicas utilizando genes quiméricos, cassete, vetores, entre outros, compreendendo o promotor e o sinal sequência região codificadora do gene.[45] US patent US 6,359,196 deals with tissue-specific regulatory sequences, including barley gene promoters (Hordeum vulgare) that encode alpha-glucosidase and cystatin-1 (cysteine protease inhibitor). Furthermore, the patent refers to methods of producing transgenic plants using chimeric genes, cassettes, vectors, among others, comprising the promoter and the signal sequence coding region of the gene.
[46] A patente americana US 2006195919A1 provê promotores de Arabidopsis taliana, tecido-específicos ou constitutivos, de expressão forte ou fraca. Os genes, os promotores e os tecidos não se relacionam ao presente pedido de proteção de sequências promotoras de cana. Arabidopsis não produz altos níveis de sacarose como a cana-de-açúcar e seus tecidos não são especializados para acumular sacarose como os tecidos da cana. Assim sendo, o padrão de expressão de genes da cana são diferentes dos de Arabidopsis. Vale a pena lembrar que o metabolismo de carboidratos e os processos fotossintéticos de cana são do tipo C4 enquanto de Arabidopsis são do tipo C3 o que torna esta monocotiledônea ainda mais diferente da dicotiledônea Arabidopsis.[46] The US patent US 2006195919A1 provides Arabidopsis taliana promoters, tissue-specific or constitutive, with strong or weak expression. Genes, promoters and tissues are unrelated to the present application for protection of sugarcane promoter sequences. Arabidopsis does not produce high levels of sucrose like sugarcane and its tissues are not specialized to accumulate sucrose like sugarcane tissues. Therefore, the expression pattern of sugarcane genes are different from those of Arabidopsis. It is worth remembering that sugarcane carbohydrate metabolism and photosynthetic processes are C4 type while Arabidopsis are C3 type, which makes this monocot even more different from the Arabidopsis dicotyledon.
[47] Diante do exposto, a Depositante desenvolveu promotores ativos constitutivamente e/ou de tecido-específica em cana-de-açúcar, cassetes de expressão e seus vetores.[47] Given the above, the Depositor developed constitutively and/or tissue-specific active promoters in sugarcane, expression cassettes and their vectors.
[48] A figura 1 mostra o perfil de expressão analisado por PCR em tempo real dos seis genes alvo utilizados para obtenção de sequências 5’ regulatórias, sendo, o gene normalizador a poliubiquitina (PUB) e (1A) SCRFLR1012F12.g/ COMT. (1B) SCQGLR1085F11.g/ Deidrina; (1C) SCCCLR1066D10.g/ GTPase; (1D) SCCLR1126E09.g/ no match; (1E) SCCQRT2100B02.g/aquaporina e (1F) SCCCLR1048F12.g/14-3-3, onde corresponde à Raíz,corresponde à Folha, corresponde à Flor, diz respeito à Gema corresponde ao Entrenó 1 e, finalmente,diz respeito ao Entrenó 4.[48] Figure 1 shows the expression profile analyzed by real-time PCR of the six target genes used to obtain 5' regulatory sequences, the normalizing gene being polyubiquitin (PUB) and (1A) SCRFLR1012F12.g/ COMT. (1B) SCQGLR1085F11.g/ Dehydrin; (1C) SCCCLR1066D10.g/ GTPase; (1D) SCCLR1126E09.g/ no match; (1E) SCCQRT2100B02.g/aquaporin and (1F) SCCCLR1048F12.g/14-3-3, where corresponds to the Root, corresponds to Folha, corresponds to the Flower, it concerns the gem corresponds to Entrenode 1 and finally it concerns Entrenod 4.
[49] A figura 2 descreve o padrão de expressão de GUS sob o controle do promotor COMT2, do SAS SCRFLR1012F12.g. Ensaio histoquímico realizado em plântulas cultivadas por três meses in vitro (A e B) e plantas aclimatadas em casa de vegetação por três meses (C: bainha; D: raiz; e E: entrenó), onde F representa um corte transversal do entrenó mostrando em detalhe o feixe vascular e CN refere-se ao controle negativo.[49] Figure 2 depicts the expression pattern of GUS under the control of the COMT2 promoter of the SAS SCRFLR1012F12.g. Histochemical assay performed on seedlings cultivated for three months in vitro (A and B) and plants acclimated in a greenhouse for three months (C: sheath; D: root; and E: internode), where F represents a cross section of the internode showing in detail the vascular bundle and CN refers to the negative control.
[50] A figura 3 revela o ensaio histoquímico de plantas de cana-de- açúcar transformadas com o promotor de Deidrina (DEID1:GUS) controlando a expressão do gene repórter uidA. A e B referem-se às plântulas de cana-de-açúcar após três meses de cultivo in vitro, C e D representam a bainha e secção transversal de folha, respectivamente, de plantas de cana-de-açúcar após três meses de cultivo em casa de vegetação.[50] Figure 3 shows the histochemical assay of sugarcane plants transformed with the Dehydrin promoter (DEID1:GUS) controlling the expression of the uidA reporter gene. A and B refer to sugarcane seedlings after three months of in vitro cultivation, C and D represent the sheath and leaf cross-section, respectively, of sugarcane plants after three months of cultivation in vegetation House.
[51] A figura 4 apresenta o padrão de expressão do promotor GTP1 (A e B) e do acúmulo de transcrito (C e D) de uma GTPase (SCCCLR1066D10.g) em entrenó de cana-de-açúcar. Sinal de hibridização presente no parênquima de reserva (pr) e fracamente expresso no floema (f). A concentração da expressão é no parênquima do feixe e no esclerênquima, principalmente nas regiões adaxial (esclerênquima do xilema) e abaxial (esclerênquima do floema).[51] Figure 4 shows the expression pattern of the GTP1 promoter (A and B) and transcript accumulation (C and D) of a GTPase (SCCCLR1066D10.g) in sugarcane internodes. Hybridization signal present in the reserve parenchyma (pr) and weakly expressed in the phloem (f). The expression concentration is in the bundle parenchyma and in the sclerenchyma, mainly in the adaxial (xylem sclerenchyma) and abaxial (phloem sclerenchyma) regions.
[52] A figura 5 demonstra a localização de transcritos de SCACLR1126E09.g em folhas de cana-de-açúcar detectados por hibridização in situ usando sonda antisense. A expressão destes genes em células da secção transversal da folha é visível como um precipitado rósea (seta). O sinal de hibridização é observado nas células da bainha do feixe vascular da folha, onde f refere-se ao floema e x ao xilema.[52] Figure 5 demonstrates the localization of SCACLR1126E09.g transcripts on sugarcane leaves detected by in situ hybridization using antisense probe. The expression of these genes in cells of the leaf cross section is visible as a pink precipitate (arrow). The hybridization signal is observed in the cells of the leaf vascular bundle sheath, where f refers to the phloem and x to the xylem.
[53] A figura 6 mostra o padrão de expressão de GUS sob o controle do promotor AQUA1 (826pb) (SCEQRT2100B02.g). Ensaio histoquímico realizado em explantes cultivados por três meses in vitro (A e B) e plantas aclimatadas em casa de vegetação por três meses (C: bainha; D: entrenó). CN: controle negativo.[53] Figure 6 shows the expression pattern of GUS under the control of the AQUA1 promoter (826bp) (SCEQRT2100B02.g). Histochemical assay performed on explants cultivated for three months in vitro (A and B) and plants acclimated in a greenhouse for three months (C: sheath; D: internode). CN: negative control.
[54] A figura 7 descreve o padrão de expressão de GUS sob o controle do promotor AQUA2 (2169pb) (SCEQRT2100B02.g). Ensaio histoquímico realizado em explantes cultivados por três meses in vitro (A, B e C) e plantas aclimatadas em casa de vegetação por três meses (D: bainha e; E: folha).[54] Figure 7 depicts the expression pattern of GUS under the control of the AQUA2 promoter (2169bp) (SCEQRT2100B02.g). Histochemical assay performed on explants cultivated for three months in vitro (A, B and C) and plants acclimated in a greenhouse for three months (D: sheath and; E: leaf).
[55] A figura 8 revela a localização in situ dos transcritos de aquaporina (SCEQRT2100B02.g) em raiz de cana-de-açúcar. O sinal de expressão é visualizado na epiderme da raiz (ep).[55] Figure 8 reveals the in situ location of aquaporin transcripts (SCEQRT2100B02.g) in sugarcane root. The expression signal is visualized in the root epidermis (ep).
[56] A figura 9 apresenta o padrão de expressão de GUS sob o controle do promotor UB1 (A) e UB2 em bainha de cana-de-açúcar cultivada em casa de vegetação.[56] Figure 9 shows the expression pattern of GUS under the control of the UB1 (A) and UB2 promoter in a sugarcane sheath grown in a greenhouse.
[57] A figura 10 mostra exemplos de construções contendo promotores (sequências da presente invenção) para o controle da expressão de gene de interesse (gene-alvo “X”), onde, em A o promotor controla a expressão de fragmentos do gene de interesse no sentido sense e antisense flanqueando um íntron para a produção de um hairpin do gene de interesse que age no silenciamento do mesmo por RNAi; em B o promotor dirige o gene-alvo “X” no sentido senso para a sua super-expressão; em C o promotor dirige a expressão do gene-alvo “X” no sentido antisenso levando ao silenciamento do gene endógeno e em D, E e F os promotores são utilizados em duas cópias para aumentar o efeito de expressão das construções de A, B e C. As construções não apresentam-se em escala.[57] Figure 10 shows examples of constructions containing promoters (sequences of the present invention) for controlling the expression of the gene of interest (target gene "X"), where, in A, the promoter controls the expression of gene fragments from interest in sense and antisense, flanking an intron for the production of a hairpin of the gene of interest that acts in its silencing by RNAi; in B the promoter directs the target gene “X” in the sense sense for its overexpression; in C the promoter directs the expression of the target gene “X” in the antisense direction leading to the silencing of the endogenous gene and in D, E and F the promoters are used in two copies to increase the expression effect of the A, B and C. Buildings are not presented to scale.
[58] A presente invenção provê sequências de ácidos nucléicos isolados de promotores de genes de cana-de-açúcar (SEQ ID N°1 à SEQ ID N°10), seus cassetes de expressão contendo pelo menos uma das ditas sequências e pelo menos um gene de interesse heterólogo e/ou nativo da planta e seus vetores de expressão. Adicionalmente, o presente pedido trata do uso dessas estruturas no âmbito da genômica funcional, biologia molecular, engenharia genética, particularmente na regulação da expressão gênica em plantas, preferencialmente, gramíneas, mais particularmente ainda, cana-de-açúcar.[58] The present invention provides nucleic acid sequences isolated from sugarcane gene promoters (SEQ ID N°1 to SEQ ID N°10), their expression cassettes containing at least one of said sequences and at least a gene of interest heterologous and/or native to the plant and its expression vectors. Additionally, the present application deals with the use of these structures in the scope of functional genomics, molecular biology, genetic engineering, particularly in the regulation of gene expression in plants, preferably grasses, and more particularly sugarcane.
[59] Em uma primeira realização o presente pedido destina-se a sequências de ácidos nucléicos isolados, tais como, SEQ ID NO. 1 à SEQ ID NO. 10.[59] In a first embodiment, the present application is directed to isolated nucleic acid sequences, such as, SEQ ID NO. 1 to SEQ ID NO. 10.
[60] A SEQ. ID. NO. 1 refere-se à sequência regulatória do gene SCCCLR1066D10.g, que codifica para uma GTPase , fragmento clonado de 800 pb.[60] SEQ. ID AT THE. 1 refers to the regulatory sequence of the SCCCLR1066D10.g gene, which encodes a GTPase, 800 bp cloned fragment.
[61] A SEQ. ID. NO. 2 representa a sequência regulatória do gene SCQGLR1085F11.g, que codifica para a Deidrina, fragmento clonado de 936pb.[61] SEQ. ID AT THE. 2 represents the regulatory sequence of the SCQGLR1085F11.g gene, which codes for Dehydrin, a cloned fragment of 936bp.
[62] A SEQ. ID. NO. 3 corresponde a sequência regulatória do gene SCRFLR1012F12.g que codifica para a COMT, fragmento clonado de 1920pb (COMT1).[62] SEQ. ID AT THE. 3 corresponds to the regulatory sequence of the SCRFLR1012F12.g gene that codes for COMT, a cloned 1920bp fragment (COMT1).
[63] A SEQ. ID. NO. 4 faz referência a sequência regulatória do gene SCRFLR1012F12.g, que codifica para a COMT, fragmento clonado de 1523pb (COMT2).[63] SEQ. ID AT THE. 4 refers to the regulatory sequence of the SCRFLR1012F12.g gene, which codes for COMT, a cloned fragment of 1523bp (COMT2).
[64] A SEQ. ID. NO. 5 identifica a sequência regulatória do gene SCCCLR1048F12.g, que codifica para a proteína 14-3-3, fragmento clonado de 1298pb (Ub1).[64] SEQ. ID AT THE. 5 identifies the regulatory sequence of the SCCCLR1048F12.g gene, which codes for the 14-3-3 protein, a cloned 1298bp fragment (Ub1).
[65] A SEQ. ID. NO. 6 refere-se à sequência regulatória do gene SCCCLR1048F12.g, que codifica para a proteína 14-3-3, fragmento clonado de 2010pb (Ub2).[65] SEQ. ID AT THE. 6 refers to the regulatory sequence of the SCCCLR1048F12.g gene, which codes for the 14-3-3 protein, cloned fragment of 2010bp (Ub2).
[66] A SEQ. ID. NO. 7 representa a sequência regulatória do gene SCEQRT2100B02.g, que codifica para a Aquaporina, fragmento clonado de 826pb (Aqua1).[66] SEQ. ID AT THE. 7 represents the regulatory sequence of the SCEQRT2100B02.g gene, which codes for Aquaporin, a cloned 826bp fragment (Aqua1).
[67] A SEQ. ID. NO. 8 corresponde à sequência regulatória do gene SCEQRT2100B02.g, que codifica para a Aquaporina, fragmento clonado de 2169pb (Aqua2).[67] SEQ. ID AT THE. 8 corresponds to the regulatory sequence of the SCEQRT2100B02.g gene, which codes for Aquaporin, a cloned 2169bp fragment (Aqua2).
[68] A SEQ. ID. NO. 9 faz referência a sequência regulatória do gene SCACLR1126E09.g, que codifica para uma sequência “no match”, fragmento clonado de 619pb (Nm1).[68] SEQ. ID AT THE. 9 refers to the regulatory sequence of the SCACLR1126E09.g gene, which codes for a “no match” sequence, cloned fragment of 619bp (Nm1).
[69] A SEQ. ID. NO. 10 corresponde a sequência regulatória do gene SCACLR1126E09.g, que codifica para uma sequência “no match”, fragmento clonado de 386pb (Nm2).[69] SEQ. ID AT THE. 10 corresponds to the regulatory sequence of the SCACLR1126E09.g gene, which codes for a “no match” sequence, cloned fragment of 386bp (Nm2).
[70] Em uma segunda realização, a presente invenção provê cassetes de expressão contendo pelo menos uma sequência (SEQ. ID N° 01 a SEQ. ID N° 10), pelo menos um gene de interesse e uma sequência terminadora 3’.[70] In a second embodiment, the present invention provides expression cassettes containing at least one sequence (SEQ. ID No. 01 to SEQ. ID No. 10), at least one gene of interest and a 3' terminator sequence.
[71] As sequências da presente invenção podem ser clonadas em vetores de expressão em cópia única ou múltipla, seguida do gene de interesse a ser regulado por ela. O gene de interesse pode estar no sentido senso (para super-expressão) ou anti-senso (para silenciamento).[71] The sequences of the present invention can be cloned into single or multiple copy expression vectors, followed by the gene of interest to be regulated by it. The gene of interest can be in the sense sense (for overexpression) or antisense sense (for silencing).
[72] Os cassetes de expressão do presente pedido podem ser construídos, particularmente, com as estruturas COMT1, COMT2, DEID1, GTP1, GTP2, NM1, NM2, AQUA1, AQUA2, UB1 e/ou UB2 combinados a um gene de interesse (gene-alvo “X”), preferencialmente, COMT1:gene-alvo; COMT2:gene-alvo; DEID1:gene-alvo; GTP1:gene-alvo; GTP2:gene-alvo; NM1:gene-alvo; NM2:gene-alvo; AQUA1:gene-alvo; AQUA2:gene-alvo; UB1:gene-alvo e/ou UB2:gene-alvo.[72] The expression cassettes of the present application can be constructed, particularly, with the structures COMT1, COMT2, DEID1, GTP1, GTP2, NM1, NM2, AQUA1, AQUA2, UB1 and/or UB2 combined with a gene of interest (gene - target "X"), preferably COMT1: target gene; COMT2: target gene; DEID1: target gene; GTP1: target gene; GTP2: target gene; NM1: target gene; NM2: target gene; AQUA1: target gene; AQUA2: target gene; UB1:target gene and/or UB2:target gene.
[73] Ainda, o presente pedido de patente provê construções que incluem fragmentos genômicos de alelos da COMT, DEID, GTP, NM1, NM2, AQUA e UB com uma faixa de similaridade de pelo menos 80% de identidade da sequência, incluindo-se também alelos de outros cultivares e/ou genótipo derivado do gênero Saccharum.[73] In addition, the present patent application provides constructs that include genomic fragments of COMT, DEID, GTP, NM1, NM2, AQUA and UB alleles with a similarity range of at least 80% sequence identity, including also alleles from other cultivars and/or genotype derived from the genus Saccharum.
[74] De forma opcional, o presente pedido possibilita a inclusão em suas construções de genes associados ao teor de sacarose, genes associados ao metabolismo da parede celular, genes associados à produtividade (produção de biomassa) e genes associados à resposta à seca da cana-de- açúcar.[74] Optionally, this application allows the inclusion in its constructions of genes associated with sucrose content, genes associated with cell wall metabolism, genes associated with productivity (biomass production) and genes associated with the response to sugarcane drought -of sugar.
[75] Em uma terceira realização o presente pedido refere-se, ainda, a vetores de expressão contendo os ditos cassetes de expressão, da presente invenção, inseridos em vetores que podem ser escolhidos entre pAHC17, pAHC15, pAHC27, pAHC18, pAHC20, pAHC25, pGPro 1, pORE Series, pSTARLING, pSTARGATE, pCAMBIA0380, pCAMBIA0390,pCAMBIA1281Z, pCAMBIA1291Z, pCAMBIA1381Z e pCAMBIA1391Z, porém, não limitando-se a estes.[75] In a third embodiment, the present application also refers to expression vectors containing said expression cassettes of the present invention, inserted in vectors that can be chosen among pAHC17, pAHC15, pAHC27, pAHC18, pAHC20, pAHC25 , pGPro 1, porE Series, pSTARLING, pSTARGATE, pCAMBIA0380, pCAMBIA0390, pCAMBIA1281Z, pCAMBIA1291Z, pCAMBIA1381Z and pCAMBIA1391Z, but not limited to these.
[76] Em uma quarta realização o presente pedido destina-se uso dessas estruturas, como cassetes de expressão e vetores compreendendo as sequências da presente invenção, no âmbito da genômica funcional, biologia molecular, engenharia genética, particularmente na regulação da expressão gênica em plantas, preferencialmente, gramíneas, mais particularmente ainda, cana-de-açúcar.[76] In a fourth embodiment, the present application is intended for use of these structures, as expression cassettes and vectors comprising the sequences of the present invention, in the scope of functional genomics, molecular biology, genetic engineering, particularly in the regulation of gene expression in plants , preferably, grasses, more particularly, sugar cane.
[77] Particularmente, as estruturas da presente invenção são capazes de dirigir a expressão constitutiva em calos, folhas, entrenós e raízes de cana-de-açúcar.[77] Particularly, the structures of the present invention are capable of directing constitutive expression in calluses, leaves, internodes and sugarcane roots.
[78] Para obter regiões com atividade promotoras realizou-se amplificações por PCR regiões genômicas 5’ desconhecidas localizadas à montante das sequências codificadoras dos genes de interesse, utilizando o Universal GenomeWalker™ Kit (CLONTECH, USA). Inicialmente, o DNA genômico de cana-de-açúcar foi digerido separadamente com quatro diferentes endonucleases de restrição (DraI, EcoRV, Stu I e Pvu II), que deixam as extremidades abruptas. Os produtos das digestões foram purificados e ligados a adaptadores providos no kit, criando-se quatro “bibliotecas” GenomeWalker. Na tentativa de obter a região 5’ dos genes de interesse, foram sintetizados dois oligonucleotídeos iniciadores específicos para cada gene (GSP - gene specific primer) (Tabela 1) que anelavam na região 5’ da sequência codificadora do gene.[78] To obtain regions with promoter activity, PCR amplifications were performed on unknown 5' genomic regions located upstream of the coding sequences of the genes of interest, using the Universal GenomeWalker™ Kit (CLONTECH, USA). Initially, the sugarcane genomic DNA was digested separately with four different restriction endonucleases (DraI, EcoRV, Stu I and Pvu II), which leave the blunt ends. The digestion products were purified and linked to adapters provided in the kit, creating four GenomeWalker “libraries”. In an attempt to obtain the 5' region of the genes of interest, two specific oligonucleotide primers for each gene (GSP - gene specific primer) were synthesized (Table 1), which looped in the 5' region of the gene's coding sequence.
[79] Para cada “biblioteca”, realizou-se duas reações de PCR consecutivas. Na primeira PCR foi utilizado um iniciador fornecido pelo kit (API: adaptor primer, 10 μM) e um iniciador específico do gene deinteresse (GSP1, “ gene-specific primer 1 ”, 10 μM; Tabela 1). A solução para a reação do PCR primário constituiu-se ainda dos seguintes componentes: BD Advantage 2 PCR Buffer (BD Biosciences), mix de dNTP 0,2 mM, Advantage Genomic Polymerase Mix (BD Biosciences), 1 μL de cada “biblioteca” GenomeWalker e água milli-Q suficiente para completar o volume da reação para 50 μL. A reação obedeceu a uma rotina de sete ciclos iniciais de 94°C por 2 segundos, para desnaturação, 72°C por 3 minutos, para anelamento e extensão, seguido por 32 ciclos de desnaturação a 94°C por 2 segundos e anelamento e extensão a 67°C por 3 minutos. Após os ciclos a reação foi submetida a um período adicional de polimerização de 4 minutos a 67°C. O produto da primeira reação de PCR foi diluído 50 vezes e 1 μL usado como molde para uma segunda PCR. Foram utilizados um iniciador (do tipo nested) também fornecido pelo kit (AP2 nested) à 0,2 μM, e um iniciador nested específico do gene (GSP2 nested) também à 0,2 μM. A solução para esta PCR secundária constituiu- se ainda dos reagentes descritos anteriormente para a PCR primária, com exceção dos oligonucleotídeos. A reação seguiu um programa de 5 ciclos de desnaturação a 94°C por 2 segundos, anelamento e extensão a 72°C por 3 minutos, seguidos por 20 ciclos de desnaturação a 94°C por 2 segundos e anelamento e extensão a 67°C por 3 minutos, finalizada por incubação a 67°C por 4 minutos. Ambas reações foram conduzidas em um termociclador Termociclador DNA Engine PTC-200 (MJ Research). Posteriormente, os produtos das duas reações de PCR foram resolvidos em eletroforese em gel de agarose 2% (p/v). Os fragmentos desejados foram purificados utilizando o kit Perfect Gel Cleanup (Eppendorf).[79] For each “library”, two consecutive PCR reactions were performed. In the first PCR, a primer provided by the kit (API: adapter primer, 10 μM) and a gene-specific primer of interest (GSP1, “ gene-specific primer 1 ”, 10 μM; Table 1) were used. The solution for the primary PCR reaction also consisted of the following components:
[80] Os fragmentos de tamanho desejados obtidos na segunda reação de PCR foram purificados do gel de agarose 2% (p/v) e ligados no vetor pCRII (Invitrogen), utilizando o TA Cloning® Kit (Invitrogen). Para a reação de ligação, foram utilizados 4 U de enzima T4 DNA ligase (New England Biolabs), 0,5 μL de T4 DNA Ligase Reaction Buffer 10X”, 25 ng do vetor pCRII, o fragmento purificado proveniente da reação de PCR, em uma proporção inserto:vetor de 3:1 e H2O MilliQ para um volume total de 5 μL. A reação de ligação foi mantida “overnight” a 16°C.[80] The fragments of desired size obtained in the second PCR reaction were purified from a 2% agarose gel (w/v) and ligated into pCRII vector (Invitrogen) using the TA Cloning® Kit (Invitrogen). For the ligation reaction, 4 U of T4 DNA ligase enzyme (New England Biolabs), 0.5 μL of T4 DNA Ligase Reaction Buffer 10X”, 25 ng of pCRII vector, the purified fragment from the PCR reaction, were used in an insert:vector ratio of 3:1 and MilliQ H2O for a total volume of 5 µL. The binding reaction was kept overnight at 16°C.
[81] Posteriormente, 1 μL da reação de ligação foi adicionado a 50 μL de bactérias eletrocompetentes DH5 e a mistura transferida para uma cubeta de eletroporação previamente resfriada em gelo. A solução bacteriana foi submetida à eletroporação sob as condições de 2,55 KV, 50 mF e 129 W. Em seguida, foram adicionados 150 μL de meio LB (Bacto- triptona 1%, extrato de levedura 0,5%, NaCl 0,17 M), os quais foram espalhados em placas de Petri contendo meio LBC solidificado com X-Gal (LB contendo 1,5% agar, 50 μg/mL de carbenicilina e 1,2mg X-Gal (5- bromo-4-cloro-3-indolil-beta-Dgalactopiranosídeo). As placas foram incubadas a 37°C por 16 horas. As colônias brancas positivas para a presença do inserto foram isoladas e subcultivadas a 37°C por 16 horas em 100 μL de meio líquido LB contendo carbenicilina (50 μg/mL). Dois μL de cada cultura foram então utilizadas como molde em uma PCR utilizando os iniciadores T7 e SP6 a fim de confirmar a presença do inserto.[81] Subsequently, 1 μL of the binding reaction was added to 50 μL of electrocompetent DH5 bacteria and the mixture transferred to an electroporation cuvette previously cooled on ice. The bacterial solution was subjected to electroporation under conditions of 2.55 KV, 50 mF and 129 W. Then, 150 μL of LB medium (1% Bactotryptone, 0.5% yeast extract, 0 NaCl) were added. 17 M), which were spread on Petri dishes containing LBC medium solidified with X-Gal (LB containing 1.5% agar, 50 μg/mL carbenicillin and 1.2mg X-Gal (5-bromo-4-chloro -3-indolyl-beta-Dgalactopyranoside) Plates were incubated at 37°C for 16 hours. White colonies positive for the presence of the insert were isolated and subcultured at 37°C for 16 hours in 100 μL of LB liquid medium containing carbenicillin (50 μg/ml) Two μl of each culture were then used as a template in a PCR using T7 and SP6 primers in order to confirm the presence of the insert.
[82] Os clones positivos foram submetidos à extração do DNA plasmidial para seu posterior seqüenciamento. A minipreparação de plasmídeos foi feita utilizando-se o Fast Plasmid Mini kit (Eppendorf) de acordo com as instruções do fabricante. O seqüenciamento dos insertos foi realizado com o kit Big Dye Terminator 3.1 (Applied Biosystems) e com o sequenciador automático ABI 3100. Os iniciadores utilizados nas reações de seqüenciamento foram o T7 e o SP6.[82] Positive clones were subjected to plasmid DNA extraction for further sequencing. Plasmid mini-preparation was performed using the Fast Plasmid Mini kit (Eppendorf) according to the manufacturer's instructions. Inserts were sequencing using the Big Dye Terminator 3.1 kit (Applied Biosystems) and the ABI 3100 automatic sequencer. The primers used in the sequencing reactions were T7 and SP6.
[83] A Tabela 1 abaixo lista, a título de exemplo, genes-alvo a serem expressos em cana-transgênica sob controle das sequências promotoras da presente invenção, não se limitando a eles. Os genes foram identificados em experimentos de transcriptoma usando chips de DNA como associados a tratos agronômicos de interesse na cana-de-açúcar.TABELA 1 [83] Table 1 below lists, by way of example, target genes to be expressed in transgenic sugarcane under control of the promoter sequences of the present invention, not limited to them. The genes were identified in transcriptome experiments using DNA chips as associated with agronomic tracts of interest in sugarcane.TABLE 1
[83] Para analisar a expressão espacial destas sequências, foram realizadas construções gênicas envolvendo o gene repórter uidA, que codifica a enzima β-glucoronidase (GUS). Para isso foi utilizado o vetor pCambia1281z, que foi devidamente projetado para a clonagem e caracterização de regiões promotoras de plantas. Para realizar as construções gênicas no vetor pCambia1281z, foram desenhados iniciadores com base nas sequências obtidas, compreendendo todo o fragmento, sem, entretanto, abranger a região do ATG inicial (Tabela 2). Nas extremidades dos iniciadores foram adicionados sítios de enzimas de restrição para posterior clonagem no vetor pCambia1281z. Os iniciadores (Tabela 2) foram utilizados para amplificar os fragmentos utilizando-se como molde o vetor pCRII contendo os insertos desejados.[83] To analyze the spatial expression of these sequences, gene constructs involving the uidA reporter gene, which encodes the enzyme β-glucuronidase (GUS), were performed. For this, the vector pCambia1281z was used, which was properly designed for cloning and characterization of plant promoter regions. To carry out the gene constructions in the pCambia1281z vector, primers were designed based on the sequences obtained, comprising the entire fragment, without, however, covering the region of the initial ATG (Table 2). At the ends of the primers, restriction enzyme sites were added for further cloning into the pCambia1281z vector. The primers (Table 2) were used to amplify the fragments using the pCRII vector containing the desired inserts as a template.
[84] As reações de amplificação foram realizadas utilizando-se BD Advantage 2 PCR Buffer (BD Biosciences), 0,2 mM de mix de dNTPs, 0,2 μM de cada um dos iniciadores (Integrated DNA Technologies), Advantage Genomic Polymerase Mix (BD Biosciences), 0,5 μL do produto de minipreparação do vetor pCRII e água milli-Q suficiente para completar o volume da reação para 25 μL. A PCR foi submetida a uma ciclagem específica para cada fragmento e par de iniciadores utilizados. Todo o volume da PCR foi submetido à eletroforese em gel de agarose 0,7% e o fragmento amplificado purificado do gel usando-se o PerfectPrep Gel Cleanup kit (Eppendorf). O produto eluído foi quantificado via absorbância a 260 nm.Os fragmentos eluídos foram novamente ligados no vetor pCRII e transformados em E. coli DH5 eletrocompetentes, conforme descrição anterior. A confirmação da inserção do fragmento no vetor e a extração do DNA plasmidial ocorreram como descritas anteriormente. Para a clonagem dos fragmentos de interesse no vetor pCambia1281z, foram conduzidas reações de digestão com enzimas de restrição apropriadas (Tabela 2) conforme procedimento padrão. Posteriormente, todo o volume da reação foi submetido à eletroforese de gel de agarose 1% (p/v) e a banda referente ao inserto foi isolada utilizando-se o PerfectPrep Gel Cleanup kit (Eppendorf). Para a purificação do pCambia1281z digerido, foi utilizado o protocolo da extração de DNA do papel. O gel foi cortado abaixo da banda de interesse de modo a permitir a introdução de um pedaço de papel Whatman DE81. A eletroforese foi continuada até que o DNA fosse adsorvido ao papel. O fragmento de DNA transferido para o papel foi colocado em um tubo com 500 μL de TE (Tris-HCl 10 mM, EDTA 1 mM), 1 N NaCl, e 10 μg de tRNA e incubado a temperatura ambiente por 1 hora. Em seguida, foi centrifugado por 10 minutos em 14000 rpm. O sobrenadante transferido para outro tubo contendo o mesmo volume de fenol/clorofórmio (1:1).[84] Amplification reactions were performed using
[85] Após agitação e centrifugação a 14000 rpm por 2 minutos, a fase aquosa foi novamente transferida para outro tubo e foram adicionados dois volumes de etanol, para peletização do DNA precipitado, seguiu-se com a centrifugação por 15 minutos a 14000 rpm. O precipitado foi lavado com 500 μL de etanol 70% (v/v) e posteriormente foi seco a 37°C e ressuspendido com 20 μl de TE (Tris-HCl 10 mM, EDTA 1 mM).[85] After shaking and centrifugation at 14000 rpm for 2 minutes, the aqueous phase was transferred again to another tube and two volumes of ethanol were added to pellet the precipitated DNA, followed by centrifugation for 15 minutes at 14000 rpm. The precipitate was washed with 500 µL of 70% ethanol (v/v) and then dried at 37°C and resuspended with 20 µL of TE (10 mM Tris-HCl, 1 mM EDTA).
[86] Para as reações de ligação foram utilizadas 4 U de T4 DNA ligase (New England Biolabs), 0,5 μL de T4 DNA Ligase Reaction Buffer 10x (New England Biolabs), 70 ng do vetor preparado como descrito acima e inserto digerido e purificado na proporção inserto:vetor de 5:1 e H2O MilliQ para um volume total de 5 μL. A reação de ligação foi mantida por overnight a 16°C. Os produtos das reações de ligação foram utilizados para eletroporação de E. coli DH5 , conforme descrito anteriormente, sendo que, foi utilizado o antibiótico de seleção cloranfenicol. A seleção das colônias positivas foi realizada por meio de PCR usando como molde 2 μL de cultura, conforme descrito anteriormente. Os clones positivos foram então utilizados para extração de DNA plasmidial em larga escala utilizando o Perfectprep Plasmid Maxi kit (Eppendorf).[86] For the ligation reactions 4 U of T4 DNA ligase (New England Biolabs), 0.5 μL of 10x T4 DNA Ligase Reaction Buffer (New England Biolabs), 70 ng of the vector prepared as described above and digested insert were used. and purified at the insert:vector ratio of 5:1 and MilliQ H2O for a total volume of 5 μL. The binding reaction was maintained overnight at 16°C. The products of the binding reactions were used for electroporation of E. coli DH5 , as described above, and the selection antibiotic chloramphenicol was used. Selection of positive colonies was performed by PCR using 2 μL of culture as a template, as described above. Positive clones were then used for large scale plasmid DNA extraction using the Perfectprep Plasmid Maxi kit (Eppendorf).
[87] O processo de transformação dos calos embriogênicos de cana-de-açúcar foi realizado via método da biobalística. O DNA foi precipitado sobre partículas de tungsténio (50 μL de solução a 60 ng/μL) através da mistura contendo cloreto de cálcio (50 μL de solução 2,5 M), 10 μg de DNA e espermidina base livre (20 μL de solução 0,1 M). Esta mistura foi centrifugada por 10 segundos em microcentrífuga e o pelete lavado duas vezes em etanol 95% e ressuspendido em 25 μL de etanol 95%. As partículas de tungsténio contendo o DNA plasmidial foram bombardeadas à pressão de 7kgf/cm2.[87] The process of transforming embryogenic calluses from sugarcane was carried out via the biolistic method. DNA was precipitated onto tungsten particles (50 μL of solution at 60 ng/μL) through the mixture containing calcium chloride (50 μL of 2.5 M solution), 10 μg of DNA and spermidine free base (20 μL of solution 0.1M). This mixture was centrifuged for 10 seconds in a microcentrifuge and the pellet washed twice in 95% ethanol and resuspended in 25 µL of 95% ethanol. Tungsten particles containing plasmid DNA were bombarded at a pressure of 7kgf/cm2.
[88] Após o bombardeamento, os calos foram transferidos para meio de cultura Cl-3, sem 2,4-D, e mantidos em sala de crescimento, no escuro, à temperatura de 25 ± 2°C por 10 dias. Após este período, os calos foram transferidos para meio de cultura com 2,4-D e 35 mg/mL do antibiótico geneticina para regeneração e seleção das plantas transformadas. As plantas foram mantidas em sala de crescimento com fotoperíodo de 14 h e temperatura de 25 ± 2°C, com trocas regulares de meio de cultura a cada duas semanas. Posteriormente, as plântulas enraizadas foram transferidas para vaso e aclimatadas em casa-de- vegetação, juntamente com plantas selvagens, que serviram de controle.[88] After bombardment, calli were transferred to Cl-3 culture medium without 2,4-D and kept in a growth room, in the dark, at 25 ± 2°C for 10 days. After this period, the calluses were transferred to a culture medium with 2,4-D and 35 mg/mL of the antibiotic geneticin for regeneration and selection of transformed plants. The plants were kept in a growth room with a 14 h photoperiod and a temperature of 25 ± 2°C, with regular changes of culture medium every two weeks. Subsequently, the rooted seedlings were transferred to pots and acclimated in a greenhouse, together with wild plants, which served as control.
[89] As plantas regeneradas dos eventos de transformação foram submetidas a uma verificação da integração do transgene por PCR, utilizando iniciadores específicos. A extração do DNA das plantas foi efetuada conforme protocolo padrão. A reação de amplificação consistiu de 35 ciclos cada um composto de desnaturação (95°C por 45 segundos), anelamento (55°C por 45 segundos) e elongação (72°C por 150 segundos).[89] Plants regenerated from the transformation events were subjected to a verification of transgene integration by PCR using specific primers. The extraction of DNA from the plants was carried out according to standard protocol. The amplification reaction consisted of 35 cycles each of a compound of denaturation (95°C for 45 seconds), annealing (55°C for 45 seconds) and elongation (72°C for 150 seconds).
[90] Foram realizados dois ensaios histoquímicos para a atividade do GUS em diferentes períodos de crescimento da planta. No primeiro foram utilizadas plântulas in vitro com aproximadamente três meses de cultivo em meio seletivo, enquanto no segundo ensaio utilizou-se tecidos de plantas com três meses após aclimatação. Nos ensaios histoquímicos, as plantas transformadas foram mergulhadas em um tampão de reação composto de 100 mM de NaH2PO4.H2O, 0,5 mM de K4Fe(CN)6.3H2O, 10 mM de Na2EDTA.2H2O, 0,1% de Triton X-100 e 1 mM de X-Gluc e incubados no escuro a 37°C por 16 horas. Após este período, o tampão de reação foi substituído por etanol 70% cujo objetivo é interromper a reação. Os tecidos foram observados em lupa estereoscópica e fotografados. Como controle positivo, utilizou-se o vetor pAHC27, que contém o ubi1:GUS:NOS como cassete de expressão em plantas. Para o controle negativo foram utilizadas plantas não transformadas, que passaram pelo processo de cultura de tecidos.[90] Two histochemical assays were performed for GUS activity at different periods of plant growth. In the first, in vitro seedlings were used with approximately three months of cultivation in selective medium, while in the second trial, plant tissues were used three months after acclimation. In the histochemical assays, the transformed plants were immersed in a reaction buffer composed of 100 mM NaH2PO4.H2O, 0.5 mM K4Fe(CN)6.3H2O, 10 mM Na2EDTA.2H2O, 0.1% Triton X- 100 and 1 mM X-Gluc and incubated in the dark at 37°C for 16 hours. After this period, the reaction buffer was replaced by 70% ethanol whose objective is to stop the reaction. Tissues were observed under a stereoscopic magnifying glass and photographed. As a positive control, the vector pAHC27 was used, which contains ubi1:GUS:NOS as an expression cassette in plants. For the negative control, non-transformed plants were used, which underwent the tissue culture process.
[91] No segundo ensaio histoquímico, os mesmos tecidos utilizados na metodologia descrita acima foram fotografados em cortes anatômicos a partir de material fixado. O material imerso em etanol 70% (v/v) foi desidratado em uma série etanólica (70, 80, 90 e 100% v/v) com intervalos de 4 horas até a situação de etanol absoluto. Em seguida houve o tratamento com uma mistura de 3:1 de etanol:historesina (Leica) por 4 horas. Esta mistura foi subseqüentemente substituída por uma mistura de 1:1 (etanol:historesina) por 4 horas e depois em uma mistura 1:3 (etanol:historesina) por mais 4 horas. O material foi então mantido em historesina pura por mais 16 horas e em seguida incluído em historesina.O material incluído foi seccionado em micrótomo rotativo a cinco micrômetros. Os cortes foram montados em lâminas de microscopia em meio Entellan e fotografatos num microscópio Zeiss Axiovert 35.[91] In the second histochemical assay, the same tissues used in the methodology described above were photographed in anatomical sections from fixed material. The material immersed in 70% ethanol (v/v) was dehydrated in an ethanol series (70, 80, 90 and 100% v/v) with intervals of 4 hours until the situation of absolute ethanol. Then there was treatment with a 3:1 mixture of ethanol:historesin (Leica) for 4 hours. This mixture was subsequently replaced by a 1:1 mixture (ethanol:historesin) for 4 hours and then a 1:3 mixture (ethanol:historesin) for a further 4 hours. The material was then kept in pure historesin for another 16 hours and then embedded in historesin. The included material was sectioned in a rotating microtome at five micrometers. The sections were mounted on microscope slides in Entellan medium and photographed on a Zeiss Axiovert 35 microscope.
[92] Experimentos de microarranjos de cDNA utilizando amostras de seis tecidos de cana-de-açúcar (raiz, flor, gema lateral, folha e primeiro e quarto entrenós) identificaram genes com expressão tecido-enriquecida, bem como genes de expressão ubíqua. Estes resultados possibilitaram não apenas caracterizar a expressão destes genes, mas também, selecionar regiões promotoras que pudessem dirigir a expressão de proteínas de interesse apenas nos tecidos desejados ou ubiquamente. A clonagem de promotores tecido-específicos representa um grande avanço para a pesquisa com cana-de-açúcar, já que viabiliza estudos funcionais da expressão de transgenes e a obtenção de variedades biotecnologicamente melhoradas.[92] cDNA microarray experiments using samples from six sugarcane tissues (root, flower, lateral bud, leaf, and first and fourth internodes) identified genes with tissue-enriched expression as well as genes with ubiquitous expression. These results made it possible not only to characterize the expression of these genes, but also to select promoter regions that could direct the expression of proteins of interest only in the desired tissues or ubiquitously. The cloning of tissue-specific promoters represents a great advance for sugarcane research, as it enables functional studies of the expression of transgenes and the obtainment of biotechnologically improved varieties.
[93] Dez sequências 5’ de seis genes da cana-de-açúcar foram testados para verificar a capacidade de ativar a transcrição de um gene heterólogo, o gene repórter uidA (GUS) foi fusionado a eles.[93] Ten 5' sequences of six sugarcane genes were tested to verify the ability to activate transcription of a heterologous gene, the reporter gene uidA (GUS) was fused to them.
[94] Os genes alvo foram SCCCLR1048F12.g, SCQGLR1085F11.g, SCCCLR1066D10.g, SCACLR1126E09.g, SCEQRT2100B02.g e SCRFLR1012F12.g, que codificam, respectivamente, para as proteínas ácido caféico 3-O-metilltransferase (COMT), Deidrina, GTPase, uma sequência no match, para Aquaporina e 14-3-3. Tais genes foram selecionados a partir de análises de expressão realizadas por meio de microarranjos de cDNA e PCR em tempo real (Figura 1) de amostras de diferentes tecidos de cana-de-açúcar, por apresentar expressão preferencial em entrenó (COMT, deidrina e GTPase), folha (no match) e raiz (aquaporina) ou por apresentar expressão constitutiva em todos os tecidos avaliados (14-3-3).[94] The target genes were SCCCLR1048F12.g, SCQGLR1085F11.g, SCCCLR1066D10.g, SCACLR1126E09.g, SCEQRT2100B02.g and SCRFLR1012F12.g, which code, respectively, for the proteins caffeic acid 3-O-methylltransferase (COMT), Deidrine , GTPase, a straight in the match, for Aquaporin and 14-3-3. These genes were selected from expression analyzes performed using cDNA microarrays and real-time PCR (Figure 1) of samples from different sugarcane tissues, as they present preferential expression in internodes (COMT, dehydrin and GTPase ), leaf (no match) and root (aquaporin) or for presenting constitutive expression in all tissues evaluated (14-3-3).
[95] A sequência 5’ flanqueadora dos genes descritos acima foi obtida a partir do DNA genômico de cana-de-açúcar previamente digerido com enzimas de restrição que produzem fragmentos com extremidade abrupta para posterior ligação de adaptadores de sequência conhecida. Tais fragmentos de DNA genômico foram então utilizados como molde para amplificações via PCR, utilizando-se um iniciador com sequência complementar ao adaptador e um complementar ao gene alvo. Através desta metodologia foram amplificados pelo menos um fragmento para cada um dos genes descritos. Após a clonagem e seqüenciamento identificou-se os fragmentos correspondentes à região 5’ dos genes (Tabela 3). Assim, foram obtidos dois fragmentos para o gene COMT (SCRFLR1012F12.g), de 1920pb (COMT1) e de 1523pb (COMT2); um fragmento para a o gene deidrina (SCQGLR1085F11.g) de 936pb (DEID1); dois fragmentos para GTPase (SCCCLR1066D10.g), de 800pb (GTP1) e de aproximadamente 1200pb (GTP2); um fragmento para a sequência no match (SCACLR1126E09.g), de 619pb, com o qual foram obtidas duas construções: de 619pb (NM1) e de 326pb (NM2); dois fragmentos para o gene aquaporina (SCEQRT2100B02.g), de 826pb (AQUA1) e de 2169pb (AQUA2) e dois fragmentos para o gene 14-3-3 (SCCCLR1048F12.g), de 1298pb (UB1) e de 2010pb (UB2).[95] The 5' flanking sequence of the genes described above was obtained from sugarcane genomic DNA previously digested with restriction enzymes that produce blunt-ended fragments for subsequent ligation of adapters of known sequence. Such genomic DNA fragments were then used as a template for PCR amplifications, using a primer with a complementary sequence to the adapter and a complementary one to the target gene. Through this methodology, at least one fragment was amplified for each of the described genes. After cloning and sequencing, the fragments corresponding to the 5' region of the genes were identified (Table 3). Thus, two fragments for the COMT gene (SCRFLR1012F12.g), 1920bp (COMT1) and 1523bp (COMT2) were obtained; a fragment for the dehydrin gene (SCQGLR1085F11.g) of 936bp (DEID1); two fragments for GTPase (SCCCLR1066D10.g), 800bp (GTP1) and approximately 1200bp (GTP2); a fragment for the no match sequence (SCACLR1126E09.g), of 619bp, with which two constructions were obtained: of 619bp (NM1) and of 326bp (NM2); two fragments for the aquaporin gene (SCEQRT2100B02.g), 826bp (AQUA1) and 2169bp (AQUA2) and two fragments for gene 14-3-3 (SCCCLR1048F12.g), 1298bp (UB1) and 2010bp (UB2 ).
[96] A existência de bandas múltiplas, mesmo utilizando ciclos estringentes pode ser devido à complexidade do genoma octoplóide da cana-de-açúcar, que é um híbrido interespecífico. Esta complexidade provavelmente dificulta a obtenção de um padrão de banda única quando se tratar de amplificação a partir de fragmentos de DNA genômico. Este fato envolve o risco de se isolar uma sequência promotora de um alelo não funcional do gene de interesse. Por isto a necessidade de analisar mais de um fragmento referente à possível sequência regulatória de um mesmo gene. Haja vista o alto nível de poliploidia da cana-de-açúcar é possível, por esta técnica, clonar regiões promotoras de vários alelos, dependendo do nível de similaridade entre eles.[96] The existence of multiple bands, even using stringent cycles, may be due to the complexity of the sugarcane octoploid genome, which is an interspecific hybrid. This complexity probably makes it difficult to obtain a single-band pattern when it comes to amplification from genomic DNA fragments. This fact involves the risk of isolating a promoter sequence of a non-functional allele of the gene of interest. Hence the need to analyze more than one fragment referring to the possible regulatory sequence of the same gene. Given the high level of polyploidy in sugarcane, it is possible, by this technique, to clone promoter regions of several alleles, depending on the level of similarity between them.
[97] A comparação das sequências COMT1 e COMT2 mostra que estas possuem 98% de identidade entre si para uma região de 1484pb. O SAS de COMT em questão contém uma região de 218pb de região 5’-UTR e está localizada a partir do local para o qual foi desenhado o iniciador com sítio de AvrII. A comparação desta sequência de 218pb com as sequências clonadas no vetor pCambia1281z mostra 95% de identidade para COMT1 e 97% de identidade COMT2.[97] Comparison of the COMT1 and COMT2 sequences shows that they are 98% identical to each other for a region of 1484bp. The COMT SAS in question contains a 218bp region of 5'-UTR region and is located from the site for which the AvrII site primer was designed. Comparison of this 218bp sequence with the sequences cloned in vector pCambia1281z shows 95% identity to COMT1 and 97% identity to COMT2.
[98] Já as sequências AQUA1 e AQUA2 possuem 99% de identidade entre si para uma região de 755pb. A elevada similaridade encontrada entre estas sequências mostra que elas diferem principalmente com relação ao tamanho, pois em uma delas foi possível avançar mais em direção a região 5’.[98] The sequences AQUA1 and AQUA2 are 99% identical to each other for a region of 755bp. The high similarity found between these sequences shows that they differ mainly in terms of size, as in one of them it was possible to advance further towards the 5’ region.
[99] Para verificar a capacidade de ativação da expressão gênica dos fragmentos clonados, os mesmos foram fusionados ao gene repórter uidA (GUS), do vetor pCambia1281z. Os iniciadores usados na amplificação das regiões promotoras para clonagem no vetor pCambia1281z foram desenhados à montante do códon ATG inicial, para evitar a formação de mensageiro bicistrônico com a mensagem codificada pelo gene repórter. Desta forma, todas as construções abrangem a sequência 5’ UTR do gene, sem contudo incluir a região do ATG inicial do gene. A integração do DNA exógeno nas plantas cultivadas em casa de vegetação foi confirmada via PCR, utilizando-se um oligonucleotídeo iniciador que se anelava na região 3’ do fragmento clonado (sequência promotora) e um outro que se anelava na região 5’ da sequência do intron da catalase, presente no vetor pCambia1281z.[99] To verify the gene expression activation capacity of the cloned fragments, they were fused to the uidA reporter gene (GUS), from the pCambia1281z vector. The primers used in the amplification of the promoter regions for cloning in the pCambia1281z vector were designed upstream of the initial ATG codon, to avoid the formation of a bicistronic messenger with the message encoded by the reporter gene. Thus, all constructions encompass the gene's 5' UTR sequence, without however including the gene's initial ATG region. The integration of exogenous DNA in plants grown in a greenhouse was confirmed via PCR, using an oligonucleotide primer that looped in the 3' region of the cloned fragment (promoter sequence) and another that looped in the 5' region of the sequence. intron of catalase, present in the pCambia1281z vector.
[100] Somente as plantas cuja presença do DNA exógeno foi confirmada foram utilizadas neste segundo ensaio histoquímico. Assim, foi possível analisar a expressão de GUS nas plantas com as construções referentes aos possíveis promotores dos genes de COMT (COMT1:GUS e COMT2:GUS), deidrina (DEID1:GUS), GTPase (somente GTP1:GUS), aquaporina (AQUA1:GUS e AQUA2:GUS) e 14-3-3 (UB1:GUS e UB2:GUS), em diferentes eventos de transformação. A freqüência de transformantes (confirmados por PCR) garante que a metodologia de transformação por biobalística empregada foi eficiente.[100] Only plants whose presence of exogenous DNA was confirmed were used in this second histochemical assay. Thus, it was possible to analyze the expression of GUS in plants with the constructions referring to possible promoters of the genes of COMT (COMT1:GUS and COMT2:GUS), dehydrin (DEID1:GUS), GTPase (only GTP1:GUS), aquaporin (AQUA1 :GUS and AQUA2:GUS) and 14-3-3 (UB1:GUS and UB2:GUS), in different transformation events. The frequency of transformants (confirmed by PCR) guarantees that the biolistic transformation methodology used was efficient.
[101] A análise da expressão do gene uidA (GUS) sob o controle destas sequências em plantas de cana-de-açúcar transgênicas e a análise da expressão in situ da localização tecidual das proteínas codificadas pelos genes descritos demonstra a aplicabilidade das sequências promotoras na expressão de genes de interesse na cana-de-açúcar.[101] The analysis of the expression of the uidA (GUS) gene under the control of these sequences in transgenic sugarcane plants and the analysis of the in situ expression of the tissue location of the proteins encoded by the described genes demonstrate the applicability of the promoter sequences in expression of genes of interest in sugarcane.
[102] Do ponto de vista fenotípico, às plantas de cana-de-açúcar transgênicas com as construções dos promotores foi considerada normal em comparação às plantas não-transformadas, não sendo observada nenhuma alteração fenotípica até o estádio de desenvolvimento alcançado aos três meses em casa-de-vegetação.[102] From a phenotypic point of view, transgenic sugarcane plants with the promoter constructs were considered normal compared to non-transformed plants, with no phenotypic change being observed until the development stage reached at three months in vegetation House.
[103] Para análise do padrão de expressão dos genes alvo e atividade promotora das regiões 5’ clonadas, foram obtidas plantas transgênicas de cana-de-açúcar (Tabela 3) contendo os promotores fusionados ao gene repórter uidA com a realização posterior de ensaios histoquímicos juntamente com análises de hibridização in situ utilizando sondas específicas para cada gene alvo.[103] To analyze the expression pattern of target genes and promoter activity of the cloned 5' regions, transgenic sugarcane plants were obtained (Table 3) containing the promoters fused to the uidA reporter gene with subsequent histochemical assays together with in situ hybridization analyzes using specific probes for each target gene.
[104] Uma amostra de explantes cultivados in vitro, com no mínimo três meses de idade, obtidos após a transformação e seleção por meio do antibiótico gentamicina, foram submetidas a um ensaio histoquímico preliminar para detectar a funcionalidade da construção gênica e da sequência 5’ do gene alvo como promotor, ou seja, a capacidade de ativar a expressão do gene repórter uidA (GUS). Nesta fase, os explantes apresentavam primórdios foliares e radiculares, no entanto, ainda apresentavam região com aspecto de calo desdiferenciado. Posteriormente, as plântulas originadas destes explantes, foram transferidas para casa de vegetação, onde foram aclimatadas e cultivadas por um período de três meses, e então submetidas a um segundo ensaio histoquímico para determinar a tecido-especificidade com maior precisão.[104] A sample of in vitro cultured explants, at least three months old, obtained after transformation and selection using the antibiotic gentamicin, were subjected to a preliminary histochemical assay to detect the functionality of the gene construct and the 5' sequence of the target gene as a promoter, that is, the ability to activate the expression of the reporter gene uidA (GUS). At this stage, the explants had leaf and root primordia, however, they still had a region with a disdifferentiated callus appearance. Afterwards, the seedlings originating from these explants were transferred to a greenhouse, where they were acclimated and cultivated for a period of three months, and then submitted to a second histochemical assay to determine tissue-specificity with greater precision.
[105] No segundo ensaio, foram analisados separadamente tecidos de folha, bainha, entrenó e raiz. No entanto, apesar da integração do DNA exógeno no genoma de cana-de-açúcar ter sido confirmada em muitos transformantes independentes, apenas um pequeno número de plantas apresentou expressão do gene GUS nesta fase de desenvolvimento. Para a grande maioria de plantas, o gene GUS permaneceu inativo. Como controle positivo, foi utilizado tecido de petúnia transformado com o vetor pAHC27, que contém o promotor UBI1 de ubiquitina do milho fusionado a uidA (UBI1:GUS), espécie que apresenta um sistema de transformação e expressão do uidA bem caracterizados.[105] In the second trial, leaf, sheath, internode, and root tissues were analyzed separately. However, despite the integration of exogenous DNA into the sugarcane genome has been confirmed in many independent transformants, only a small number of plants showed expression of the GUS gene at this stage of development. For the vast majority of plants, the GUS gene remained inactive. As a positive control, petunia tissue transformed with vector pAHC27 was used, which contains the UBI1 promoter of corn ubiquitin fused to uidA (UBI1:GUS), a species that has a well-characterized uidA transformation and expression system.
[106] A expressão do gene repórter dirigida pela construção COMT2:GUS (1523pb, SCRFLR1012F12.g), foi observada no ensaio histoquímico com explantes in vitro, nos tecidos dos primórdios foliares (Figura 2, A e B), indicando que a construção gênica foi funcional e que o promotor estava ativo. Para verificar a tecido-especificidade, foi então realizado um segundo ensaio histoquímico em bainha, folha, entrenó e raízes, com plantas aclimatadas em casa de vegetação. Neste experimento, a expressão de GUS foi verificada na bainha, entrenó e raiz (Figura 2 C, D e E, respectivamente). Estes resultados corroboram com àqueles obtidos por PCR em tempo real que indicaram uma expressão preferencial em entrenó, porém também havia a presença de transcritos em amostra de raiz, enquanto que em folha o sinal de expressão foi reduzido (Figura 1 C).[106] The expression of the reporter gene driven by the COMT2:GUS construct (1523bp, SCRFLR1012F12.g) was observed in the histochemical assay with in vitro explants in leaf primordium tissues (Figure 2, A and B), indicating that the construct gene was functional and that the promoter was active. To verify tissue-specificity, a second histochemical assay was performed on sheath, leaf, internode and roots, with plants acclimated in a greenhouse. In this experiment, GUS expression was verified in the sheath, internode and root (Figure 2 C, D and E, respectively). These results corroborate those obtained by real-time PCR, which indicated a preferential expression in internode, but there was also the presence of transcripts in a root sample, while in leaf the expression signal was reduced (Figure 1 C).
[107] No entrenó, a marcação azul foi detectada principalmente nos feixes vasculares, especialmente, nas células do parênquima do feixe (Figura 2 F).[107] In the internode, blue staining was mainly detected in the vascular bundles, especially in the bundle parenchyma cells (Figure 2 F).
[108] O segundo fragmento clonado de 1920pb do SAS SCRFLR1012F12.g, referente a COMT1:GUS não apresentou atividade consistente de GUS nos estágios de desenvolvimento das plantas em que foram realizados os ensaios histoquímicos. Apesar de a sequência COMT apresentar uma alta similaridade com a sequência COMT2, como descrito anteriormente, o fato deste fragmento não apresentar atividade promotora, pode estar relacionado a possível presença de elementos regulatórios repressores na região à montante desta sequência.[108] The second cloned 1920bp SAS fragment SCRFLR1012F12.g, referring to COMT1:GUS did not show consistent GUS activity in the stages of plant development in which the histochemical assays were performed. Although the COMT sequence has a high similarity with the COMT2 sequence, as described above, the fact that this fragment does not present promoter activity may be related to the possible presence of repressor regulatory elements in the region upstream of this sequence.
[109] A atividade do promotor de deidrina SCQGLR1085F11.g foi verificada nos primórdios foliares dos explantes cultivados in vitro de plantas com a construção DEID1:GUS (Figura 3, A e B) e na bainha e folha das plantas cultivadas em casa de vegetação (Figura 3, C e D, respectivamente). O padrão de expressão na folha foi generalizado, pois todas as células apresentavam coloração azul (Figura 3 D). De fato, observa-se a presença de transcrito deste gene em folhas de cana-de- açúcar nas análises de PCR em tempo real (Figura 1 B). No entanto, apesar da análise de PCR em tempo real demonstrar que o transcrito de deidrina acumula-se em maior quantidade em entrenó imaturo, não foi verificado atividade de GUS neste tecido.[109] The activity of the SCQGLR1085F11.g dehydrin promoter was verified in the leaf primordia of explants grown in vitro from plants with the DEID1:GUS construct (Figure 3, A and B) and in the sheath and leaf of plants grown in a greenhouse (Figure 3, C and D, respectively). The pattern of expression on the leaf was generalized, as all cells had a blue color (Figure 3D). In fact, the presence of this gene transcript is observed in sugarcane leaves in real-time PCR analysis (Figure 1 B). However, despite the real-time PCR analysis showing that the dehydrin transcript accumulates in greater quantity in immature internodes, GUS activity was not verified in this tissue.
[110] A intensa atividade do promotor nos explantes cultivadas in vitro e o fato do transcrito de deidrina acumular-se em maior quantidade no entrenó 1, indica que este promotor pode ser regulado temporalmente. Por isso, a expressão do gene repórter não tenha sido verificada nos entrenós mais desenvolvidos utilizados nos ensaios histoquímicos, visto que, a análise de PCR em tempo real mostra uma redução acentuada na expressão deste gene no entrenó 4 em relação ao entrenó 1 (Figura 1 B).[110] The intense activity of the promoter in explants cultured in vitro and the fact that the dehydrin transcript accumulates in greater quantity in internode 1, indicates that this promoter can be regulated temporally. Therefore, the expression of the reporter gene has not been verified in the more developed internodes used in histochemical assays, since the real-time PCR analysis shows a marked reduction in the expression of this gene in internode 4 compared to internode 1 (Figure 1 B).
[111] Com relação ao promotor da GTPase SCCCLR1066D10.g, foram obtidos dois fragmentos, de 800 e 1200pb, denominados GTP1 e GTP2, respectivamente. No entanto, o padrão de expressão foi avaliado apenas nas plantas que continham a construção de 800pb (GTP1:GUS), pois àquelas contendo o promotor de 1200pb (GTP2:GUS) ainda estão em processo de transformação e seleção.[111] Regarding the GTPase promoter SCCCLR1066D10.g, two fragments of 800 and 1200bp were obtained, named GTP1 and GTP2, respectively. However, the expression pattern was evaluated only in plants that contained the 800bp construction (GTP1:GUS), as those containing the 1200bp promoter (GTP2:GUS) are still in the process of transformation and selection.
[112] Nos explantes cultivados in vitro contendo a construção GTP1:GUS, não foi observada expressão do gene repórter. As análises de expressão realizadas por PCR em tempo real indicaram a atividade deste promotor em todos os tecidos avaliados (Figura 1 C), no entanto, nos ensaios histoquímicos realizados com o material aclimatado em casa de vegetação por um período de três meses, foi observado uma fraca marcação em tecidos de folha (dado não mostrado) e entrenó (Figura 4), enquanto que, em raiz não houve marcação. Embora a sequência GTP1 não tenha se revelado um promotor forte nos tecidos do entrenó (Figura 4), a expressão preferencial deste SAS nos tecidos deste órgão da cana- de-açúcar foi comprovada não apenas pelos dados de microarranjos e PCR em tempo real (Figura 1 C), mas também por ensaios de hibridização in situ.[112] In in vitro cultured explants containing the GTP1:GUS construct, no expression of the reporter gene was observed. Expression analyzes performed by real-time PCR indicated the activity of this promoter in all tissues evaluated (Figure 1 C), however, in the histochemical assays performed with the material acclimated in a greenhouse for a period of three months, it was observed a weak marking in leaf tissue (data not shown) and internode (Figure 4), whereas in root there was no marking. Although the GTP1 sequence did not prove to be a strong promoter in the internode tissues (Figure 4), the preferential expression of this SAS in the tissues of this sugarcane organ was proven not only by microarray data and real-time PCR (Figure 1C), but also by in situ hybridization assays.
[113] Utilizando uma sonda antisense do SAS SCCCLR1066D10.g foi possível detectar sinal de expressão no entrenó, especificamente, no parênquima de reserva, fracamente no floema e em maior concentração no parênquima do feixe e no esclerênquima, principalmente nas regiões adaxial (esclerênquima do xilema) e abaxia (esclerênquima do floema) (Figura 4, C e D).[113] Using an antisense probe of the SAS SCCCLR1066D10.g it was possible to detect an expression signal in the internode, specifically in the reserve parenchyma, weakly in the phloem and in higher concentration in the bundle parenchyma and in the sclerenchyma, mainly in the adaxial regions (sclerenchyma of the xylem) and abaxia (phloem sclerenchyma) (Figure 4, C and D).
[114] Foram transformadas plantas de cana-de-açúcar com duas sequências 5’ do SAS SCACLR1126E09.g, uma sequência no match (sem correspondente) que apresentou perfil de expressão preferencial em folha em análises de microarranjos de cDNA e PCR em tempo real (Figura 1). Uma sonda antisenso de SCACLR1126E09.g foi utilizada para analisar o acúmulo de transcritos em folha de cana de açúcar, sendo verificado, que a expressão deste gene foi preferencialmente realizado pelas células parênquimáticas da bainha do feixe vascular (Figura 5).[114] Sugarcane plants were transformed with two 5' sequences of the SAS SCACLR1126E09.g, a no match sequence (no match) that showed preferential leaf expression in cDNA microarray and real-time PCR analysis (Figure 1). An antisense probe of SCACLR1126E09.g was used to analyze the accumulation of transcripts in sugarcane leaf, and it was verified that the expression of this gene was preferentially carried out by the parenchymal cells of the vascular bundle sheath (Figure 5).
[115] Ambas as sequências 5’ do gene de aquaporina SCEQRT2100B02.g (AQUA1:GUS - 826pb; AQUA2:GUS - 2169pb) foram capazes de ativar a expressão do gene repórter nos explantes cultivados in vitro, principalmente nos primórdios foliares (Figura 6 A e B; Figura 7 A, B e C), indicando a funcionalidade da construção gênica e da sequência promotora. A tecido-especificidade foi analisada posteriormente, em plantas cultivadas durante três meses em casa de vegetação. Nesta análise, a expressão de GUS sob o controle do promotor AQUA1 foi restrita a amostras de bainha e entrenó (Figura 7 C e D), enquanto que nas plantas com o promotor AQUA2 a marcação foi detectada nos tecidos de bainha e de folha (Figura 7 D e E). As diferenças observadas na atividade promotora entre as sequências AQUA1 e AQUA2, estão relacionadas, possivelmente, à presença de elementos regulatórios localizados à montante, na região 5’, do fragmento AQUA2, já que houve uma grande similaridade entre elas, como discutido anteriormente.[115] Both 5' sequences of the SCEQRT2100B02.g aquaporin gene (AQUA1:GUS - 826bp; AQUA2:GUS - 2169bp) were able to activate the expression of the reporter gene in in vitro cultured explants, mainly in leaf primordia (Figure 6 A and B; Figure 7 A, B and C), indicating the functionality of the gene construct and the promoter sequence. Tissue-specificity was later analyzed in plants grown for three months in a greenhouse. In this analysis, the expression of GUS under the control of the AQUA1 promoter was restricted to sheath and internode samples (Figure 7 C and D), whereas in plants with the AQUA2 promoter the labeling was detected in the sheath and leaf tissues (Figure 7 D and E). The differences observed in the promoter activity between the AQUA1 and AQUA2 sequences are possibly related to the presence of regulatory elements located upstream, in the 5' region, of the AQUA2 fragment, as there was a great similarity between them, as discussed above.
[116] Embora a sequência clonada do promotor de aquaporina não tenha mostrado atividade de GUS na raiz, este gene apresentou expressão enriquecida neste tecido nos ensaios de microarranjos e PCR em tempo real (Figura 1 E).[116] Although the cloned aquaporin promoter sequence did not show GUS activity in the root, this gene showed enriched expression in this tissue in microarray and real-time PCR assays (Figure 1 E).
[117] De fato, a presença de transcritos do gene aquaporina (SCEQRT2100B02.g) na raiz foram confirmados nos ensaios de hibridização in situ, sendo o sinal visualizado especificamente na epiderme deste tecido (Figura 8).[117] In fact, the presence of aquaporin gene transcripts (SCEQRT2100B02.g) in the root was confirmed in in situ hybridization assays, with the signal being specifically visualized in the epidermis of this tissue (Figure 8).
[118] A atividade de GUS cuja expressão foi controlada pelas sequências 5’ UB1 (1298pb) e UB2 (2010pb) do gene 14-3-3 SCCCLR1048F12.g não foi detectada nas explantes cultivadas in vitro. No entanto, nos ensaios realizados com amostras de plantas cultivadas em casa de vegetação houve marcação azul na bainha, demonstrando a funcionalidade das construções gênicas (Figura 9).[118] The activity of GUS whose expression was controlled by the 5' UB1 (1298bp) and UB2 (2010bp) sequences of the 14-3-3 SCCCLR1048F12.g gene was not detected in the in vitro cultured explants. However, in the tests carried out with samples of plants grown in a greenhouse, there was a blue marking on the sheath, demonstrating the functionality of the gene constructs (Figure 9).
[119] Os dados de expressão tecido-dirigida ou ubíqua (no caso do gene da proteína 14-3-3) dos genes selecionados foram obtidos a partir de amostras de plantas em diferentes estágios de desenvolvimento. As amostras de folhas e de entrenós, por exemplo, foram retiradas de plantas com 12 a 14 meses para os experimentos de “microarrays” - microarranjos e de PCR em tempo real. As amostras de raízes foram obtidas de raízes adventícias desenvolvidas após 12 dias a partir de explantes retirados de plantas crescidas no campo durante 12-14 meses, e plantados em areia branca úmida ou sobre papel absorvente úmido. Desta forma, ensaios posteriores serão realizados com plantas em estádio de desenvolvimento mais avançado, onde todos os tecidos, inclusive entrenó, estejam visíveis. Em princípio, os testes histoquímicos revelaram que a região 5’ flanqueadora destes genes permitiram a expressão da proteína GUS em diferentes tecidos. Portanto, estas regiões possuem elementos regulatórios positivos e negativos capazes de dirigir a expressão de um gene.[119] Tissue-directed or ubiquitous (in the case of the 14-3-3 protein gene) expression data of selected genes were obtained from plant samples at different stages of development. The leaves and internodes samples, for example, were taken from plants aged 12 to 14 months for the experiments of “microarrays” - microarrays and real-time PCR. Root samples were obtained from adventitious roots developed after 12 days from explants taken from plants grown in the field for 12-14 months, and planted in moist white sand or on moist absorbent paper. Thus, further tests will be carried out with plants at a more advanced stage of development, where all tissues, including internodes, are visible. In principle, histochemical tests revealed that the 5' flanking region of these genes allowed the expression of the GUS protein in different tissues. Therefore, these regions have positive and negative regulatory elements capable of directing the expression of a gene.
[120] A tabela 2 mostra os oligonucleotídeos iniciadores específicos usados nas duas PCRs usadas para a obtenção das sequências promotoras dos genes de interesse. [120] Table 2 shows the specific oligonucleotide primers used in the two PCRs used to obtain the promoter sequences of the genes of interest.
[121] Já a tabela 3 descreve os iniciadores utilizados para amplificação da região 5’ dos genes de interesse. [121] Table 3 describes the primers used to amplify the 5' region of the genes of interest.
[122] A tabela 4 apresenta construções das regiões promotoras dos genes de cana-de-açúcar clonadas no vetor pCambia 1281z e resultados de ensaios histoquímicos para atividade de GUS. [122] Table 4 presents constructions of the sugarcane gene promoter regions cloned in the pCambia 1281z vector and results of histochemical assays for GUS activity.
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BR102017021330A2 (en) * | 2017-10-04 | 2019-04-24 | Universidade Estadual De Campinas - Unicamp | Method of gene expression modulation in plants, vectors, use of vectors and use of SCDHN, SCLNC and SCTIP2-3 genes |
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