Gene coexpression networks provide deeper insights into sucrose accumulation in sugarcane cultivars

Abstract

La caña de azúcar es el cultivo más importante para la producción de azúcar y etanol de primera generación, siendo la sacarosa obtenida de esta planta un alimento económico fundamental y recurso a nivel mundial. Este fotoasimilado, resultado de la fotosíntesis, es transportado a través del floema desde los órganos fuente hasta los sumideros para ser almacenados en el parénquima del tallos. Aquí, construimos una red de coexpresión global utilizando datos de RNA-Seq de diferentes genotipos y tejidos de caña de azúcar. Además, se diseñó una red de coexpresión génica ponderada, módulos modelados y potencialmente funcionales fueron identificados a través de un completo enfoque jerárquico de agrupamiento. Dentro de la estructura de la red, pudimos identificar 153 grupos diferentes, los cuales fueron contrastados con los genes diferencialmente expresados identificados. A través de análisis de enriquecimiento y anotaciones de genes, pudimos establecer un total de 1.484 genes relacionados con metabolismo de la sacarosa correspondiente a 6 módulos de red diferentes. Este grupo cohesivo presentó interacciones genéticas relevantes con importantes procesos biológicos, incluida la respuesta a estrés, proceso metabólico de carbohidratos, proceso metabólico celular de carbohidratos, pared celular organización, proceso metabólico de polisacáridos celulares y respuesta a estímulos, lo que representa una importante fuente de datos para comprender la dinámica de las actividades genéticas sobre la acumulación de azúcar. A través de estrategias de redes biológicas, nuestros hallazgos muestran el potencial de las redes de coexpresión para desentrañar nuevos objetivos prometedores para estudios adicionales sobre metabolismo de la sacarosa de la caña de azúcar y mejoramiento molecular.

A cana-de-açúcar (Saccharum spp.) É a cultura mais importante para a produção de açúcar e etanol de primeira geração, sendo uma das melhores opções para a geração de bioenergia. Os cultivares modernos de cana-de-açúcar são altamente poliplóides e heterozigotos, apresentando vários alelos diferentes em cada loco, e esse alto nível de complexidade genética cria desafios durante os programas de melhoramento convencional e molecular. Reconhecendo a dificuldade de melhorar o teor de sacarose por meios convencionais, recursos substanciais têm sido direcionados para a compreensão das bases fisiológicas, celulares, bioquímicas e moleculares da produção e do acúmulo de açúcar na cana-de-açúcar. O processo de acúmulo de sacarose é descrito como regulado por uma rede de genes modulados durante a maturação do colmo. Nesse contexto, os experimentos de RNA-Seq representam uma poderosa ferramenta para estudos de expressão gênica, permitindo a obtenção do perfil do transcriptoma e sendo um ponto de partida para a identificação de novos e / ou raros transcritos. Usando este tipo de dados, redes de coexpressão de genes podem ser construídas e auxiliar na identificação de genes com padrões de expressão semelhantes biologicamente relevantes para um fenótipo específico. Este projeto teve como objetivo modelar redes de coexpressão para diferentes tipos de cana-de-açúcar. variedades e tecidos para melhor compreensão da interação gênica envolvida no metabolismo da sacarose da cana-de-açúcar. Usamos uma rede de coexpressão global modelada com dados de RNA-Seq de dezenove genótipos de cana-de-açúcar e três tecidos diferentes (raízes, folhas e colmos). Além disso, uma rede ponderada de coexpressão de genes foi modelada e módulos potencialmente funcionais foram identificados por meio de uma abordagem de agrupamento hierárquico completo. Dentro da estrutura da rede, pudemos identificar 153 grupos diferentes, que foram contrastados com os genes diferencialmente expressos identificados. Por meio de análises de enriquecimento, pudemos estabelecer um total de 1.484 genes relacionados ao metabolismo da sacarose correspondendo a quatro módulos de rede diferentes. Além do metabolismo do amido e da sacarose, as vias do metabolismo da frutose e da manose também foram enriquecidas para este grupo de genes e dois módulos de rede adicionais foram selecionados. Esse grupo coeso apresentou interações gênicas relevantes avaliadas por meio de categorias da Ontologia Genética, como resposta ao estresse; processo metabólico de carboidratos; processo metabólico de carboidratos celulares; organização da parede celular; processo metabólico de polissacarídeo celular; resposta a estímulos e processo metabólico de polissacarídeos, representando uma importante fonte de dados para o entendimento da dinâmica das atividades genéticas no acúmulo de açúcares. Além disso, realizamos análises de DGE dentro dos seis módulos finais selecionados, mostrando 105 genes regulados positivamente em genótipos com maior teor de sacarose e 78 genes regulados negativamente, englobando diferentes perfis funcionais avaliados por meio das enzimas associadas. Por fim, para acessar as especificidades funcionais das redes de Saccharum spontaneum, Saccharum officinarum e a cultivar híbrida SP80-3280, realizamos análises de inferências biológicas para hub e conexões comuns entre esses três genótipos. Nossos resultados mostraram o potencial de reunir um grande número de transcritos com expressão diferencial significativa nas categorias de sacarose e auxiliar na compreensão da dinâmica das atividades metabólicas e genéticas em escala global no metabolismo da sacarose na cana-de-açúcar.