Apresentação - Genética - USP

Programa de Pós-Graduação em 

Genética e Melhoramento de Plantas 

LGN 5799 - SEMINÁRIOS EM 

GENÉTICA E MELHORAMENTO DE PLANTAS 

Fungos mutualistas x patogênicos: 

Genômica estrutural e sua contribuição para o 

entendimento das relações fungo-planta 

Doutoranda: Léia Cecília de Lima Fávaro 

Orientador: Dr. Welington Luiz de Araújo 

Departamento de Genética 

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

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

Discuta, do ponto de vista evolutivo, o fato de que 

um microrganismo endofítico pode se tornar 

patogênico. 

(Exame de Qualificação) 

Tema do seminário 

Fungos mutualistas x patogênicos: 

Genômica estrutural e sua contribuição para o 

entendimento das relações fungo-planta

Genomas: aspectos gerais 

Fungos: importância 

SUMÁRIO 

Análise genômica comparativa: 

evolução da fitopatogenicidade 

Simbiose entre plantas e fungos 

Mutualismo X Parasitismo 

Considerações / Desafios / 

Perspectivas


Algumas definições... 

Genômica 

Estrutural 

O genoma de um organismo 

representa o complemento 

total de genes e é portanto, 

um estoque de informação 

biológica independente do 

contexto. 

Transcriptoma 

Proteoma 

Metaboloma 

Genômica 

Funcional 

Uma abordagem holística 

(baseada em sistemas) para 

estudar o fluxo de informação 

dentro de uma célula; 

Aplicação de métodos de alto processamento e 

tecnologias automatizadas à biologia, permitindo 

análise funcional do genoma, proteoma e 

metaboloma de um organismo. 

Contêm informação biológica 

altamente dependente do 

contexto - dinâmica 

Talbot (2003)


Genomas completamente seqüenciados 

Janeiro 2008 Junho = 819 

Publicados 

Fonte: http://www.genomesonline.org


Projetos de seqüenciamento de genomas 

Janeiro 2008 – 3520 projetos 

Junho = 3823 



Projetos de seqüenciamento de acordo com o grupo 

filogenético - Janeiro 2008 



Grupos de eucariotos com projetos genoma 

Janeiro 2008 



Base genética e 

evolutiva dos 

diferentes estilos de 

vida dos fungos 

patogênese 

mutualismo 

saprofitismo 

Análise genômica 

comparativa de todo um 

reino eucariótico 

Acúmulo de 

seqüências 

genômicas 

van Baarlen et al (2007) 

Ferramentas de 

bioinformática e de 

genômica funcional 

microarranjos 

proteoma 

metaboloma 

Um melhor entendimento da biologia de fungos não somente 

facilita o uso inteligente dos fungos benéficos, mas também 

permite avanços no controle de espécies patogênicas.


Organismos Modelo 

1941: Teoria 

um gene, uma enzima 

Neurospora crassa 

Prêmio Nobel em 1958: Beadle, Tatum e 

Lederberg - Estudos pioneiros com o fungo 

Neurospora e a bactéria E. coli. 

Genética Bioquímica 

George W. Beadle 

1996: Primeiro organismo eucariótico a ter o genoma 

seqüenciado 

Levedura - 

Saccharomyces 

cereviseae


Produção de fármacos: 

penicilina, cefalosporina, 

taxol, proteínas heterólogas 

Produção 

de álcool 

Indústria 

Produção de ácidos 

orgânicos – ácido cítrico 

Produção 

de vinhos 

Controle biológico de insetos praga 

Cogumelos comestíveis


Em contraste aos benefícios... Patógenos de animais e plantas 

Carvão do milho – 

Ustilago maydis 

Ferrugem asiática na soja - 

Phakopsora pachyrhizi 

Vassoura de bruxa do cacau- 

Crinipellis perniciosa 

Antracnose do milho – 

Colletotrichum graminicola 

Mancha preta do Citrus – 

Guignardia citricarpa

Simbiose entre plantas e fungos - Mutualismo X Parasitismo 

A simbiose entre fungos e plantas é um 

fenômeno amplamente distribuído na natureza. 

O resultado desta interação pode variar 

mutualismo - comensalismo - parasitismo 

Continuum simbiótico 

Na maioria dos casos, a planta hospedeira não sofre 

danos, e de fato, pode ter vantagem com a colonização 

pelo fungo. Exemplo: micorrizas e fungos endofíticos 

Kogel et al (2006)


Associação micorrízica: Interação mutualística entre fungos e 

raízes de plantas – mais intensamente estudada. 

Endomicorriza (Micorriza Arbuscular) 

Filo Zigomicetos 

Ampla ocorrência em 

todos os ecossistemas 

Surgimento das plantas 

terrestres (460 m.a.) 

Biotróficos 

Reinhardt (2007) 

Brundrett (2001) 

Ectomicorriza 

Principalmente Basidiomicetos 

Espécies arbóreas - florestas 

Douglas fir e Laccaria bicolor. 

Martin et al (2001, 2008)


Anatomia de uma raiz com micorriza arbuscular. 

Siqueira et al (2002) 

Ipê: sem e com micorriza. 

Siqueira et al (2002)


Continuum simbiótico 

mutualismo - comensalismo - parasitismo 

Comensalismo e Mutualismo: Requerem um balanço 

sofisticado (sob controle genético, fisiológico e ambiental) entre 

as demandas do fungo e a resposta de defesa da planta. 

Se a interação torna-se desbalanceada: os sintomas de 

doença aparecem ou o fungo é excluído pelas reações de defesa 

da planta hospedeira. 

Interações microrganismo-planta 

Doença é exceção 

Considerada como um 

status desbalanceado 

da simbiose 

Kogel et al (2006)


Triângulo da doença. Interações compatíveis entre um patógeno e o 

hospedeiro somente resultam em doença se as condições ambientais 

forem favoráveis. van Baarlen et al (2007)


Para ilustrar como esta relação é complexa: 

A colonização de diferentes hospedeiros pode 

fazer com que um fungo adote estilos de vida 

contrastantes. 

Mutações em genes únicos: Mudanças no estilo de vida do fungo 

patogênico para mutualista 

ou 

mutualista para patogênico


Science 2 April 1993: Vol. 260. no. 5104, pp. 75 - 78 

Genetic Conversion of a Fungal Plant Pathogen to a 

Nonpathogenic, Endophytic Mutualist 

Stanley Freeman and Rusty J. Rodriguez 

Department of Plant Pathology, University of California, Riverside, CA 92521 

Fungo ascomiceto Colletotrichum magna – antracnose em 

cucurbitáceas (melancia) - hemibiotrófico 

Objetivos: Analisar a genética envolvida na 

patogenicidade e na especificidade ao hospedeiro. 

Obtenção de mutantes (UV) – um mutante não patogênico (path-1)



Genetic Conversion of a Fungal Plant Pathogen to a Nonpathogenic, Endophytic Mutualist 



Seedlings melancia após 10 dias da 

inoculação (selvagem, mutante, mutante + 

selvagem) 

Path-1: compatível para incompatível - 

Reconhecimento do patógeno pela planta 

Monitoramento da colonização do selvagem 

e path-1. Atraso na colonização. 

?






E a gama de hospedeiros do mutante é igual à 

do selvagem? 

Mutante path-1 protege 

seedlings de melancia contra o 

patógeno Fusarium 

oxysporum f. sp. niveum






Esporulação, Adesão dos conídios, Formação de apressório, 

Infecção e Gama de hospedeiros 

Mutante não = patogênico path-1: Tipo 

selvagem 

Um fungo fitopatogênico pode ser modificado por mutação para 

crescer como um endofítico não patogênico (um único gene) 

A genética envolvida na patogenicidade e na especificidade ao 

hospedeiro é diferente. 

Um patógeno pode expressar estilos de vida simbiótico não patogênico 

Reavaliação da função dos fungos na estrutura e 

dinâmica de comunidades vegetais


Fungo endofítico Epichloe festucae e Lolium perenne (gramínea ) 

Crescimento Tolerância stress biótico 

Objetivos: Screening de mutantes - busca de genes simbióticos 

Isolaram um mutante que alterou a interação: 

mutualística parasítica 

gene NoxA: NADPH oxidase


Análise citoquímica: produção 

de ROS foi reduzida no mutante 

Expressão de PR 

proteínas em 

Lolium colonizadas 

com selvagem e 

mutante noxA


Mudança de mutualismo para parasitismo pela 

mutação em um único gene do fungo. 

Nova função para ROS na regulação da 

interação mutualista. 

Mecanismo da simbiose: 

Produção de ROS pelo gene noxA de Epichloe in planta 

regula negativamente o desenvolvimento e ramificação 

das hifas, prevenindo a colonização excessiva do tecido 

vegetal.


O que faz um fungo ser patogênico? 

No reino Fungi, a capacidade de causar doenças em plantas parece ter originado 

múltiplas vezes durante a evolução. Berbee (2001)


Capacidade de 

causar doença: 

fenótipo complexo 

diversidade na biologia de 

desenvolvimento e tipos de sintomas 

Cada espécie patogênica tem evoluído uma 

maneira especial para invadir as plantas e 

causar doença. 

Uma vez dentro da planta, três estratégias de 

colonização são empregadas (para o 

crescimento e desenvolvimento): 

necrotrofia biotrofia hemibiotrofia


Identificação de genes envolvidos na patogenicidade: 

vias, proteínas e 

genes do processo 

patogênico 

Alvos no fungo para controle químico 

(fungicidas ou drogas antifúngicas) 

Alvos no hospedeiro podem ser modificados 

para reduzir sua susceptibilidade ao 

patógeno (plantas geneticamente modificadas) 

http://www.phi-base.org/ 

Sumário do número de espécies e genes envolvidos na 

patogenicidade 

Winnenburg 

et al (2008)

Análise genômica comparativa: evolução da 

fitopatogenicidade 

Disponibilidade 

de seqüências 

genômicas 

Diferenças entre 

patógenos e não 

patógenos ao nível 

genômico 

É possível identificar mecanismos 

moleculares comuns associados com 

espécies de fungos que causam 

doenças em plantas?



Genomas de fungos e oomicetos fitopatogênicos disponíveis publicamente 

Soanes et al (2007)



Published June 4, 2008 

Background - Introdução 

Fungos e oomicetos patogênicos: diversidade de doenças e desafio 

para o desenvolvimento de estratégias de controle duráveis. 

Principal objetivo da pesquisa atual: identificar mecanismos 

moleculares necessários para patogênese em várias espécies.



Background - Introdução 

Esforços para identificação de determinantes de 

patogenicidade: 

Mutação – deleção gene alvo Alteração do fenótipo 

Somente para poucos fungos fitopatogênicos (modelo) 

Estudar um gene de cada vez: 

Processos governados por muitos genes (haustório) 

Patógenos biotróficos (não cultivados) 

Comparação de genomas de fungos 

patogênicos e não patogênicos



Comparação de 36 genomas de espécies diferentes (34 fungos e 2 oomicetos) 

Identificação de grupos de 

genes ortólogos 

Identificação de famílias de 

proteínas (Pfam) 

(http://www.sanger.ac.uk/Software/Pfam/) 

Identificação de proteínas 

secretadas (secretoma) 

(SignalP 3.0/WoLF PSORT) 

Análise comparativa de 

ascomicetos 

fitopatogênicos e 

saprófitos



Agrupamento de seqüências: Todas as proteínas preditas 

de 36 espécies foram agrupadas por MCL (Markov Chain 

Clustering). 

348.787 proteínas 

Um total de 282.061 proteínas 

preditas foram agrupadas em 

23.724 clusters 

Resultados 

Cada cluster representando 

um grupo de genes 

ortólogos putativos 

http://www.e-fungi.org.uk



Resultados 

fitopatogênicos X não patogênicos: genômica 

comparativa 

Não existem fatores de 

patogenicidade conservados em e 

específicos à todas as espécies de 

fitopatógenos. 

As diferenças são devidas à expansão 

de certas famílias de genes nos 

genomas de espécies fitopatogênicas 

associadas com funções necessárias 

para a patogênese



Resultados 

fitopatogênicos X não patogênicos: genômica 

comparativa 

Famílias de proteínas que foram pelo menos duas vezes mais 

comuns nos proteomas de fitopatógenos do que nos saprófitos: 

Vias de metabolismo secundário: 

Proteases e peptidases: 

Enzimas degradadoras de parede celular: 

NLPs: disparam respostas de defesa, necrose e 

morte celular em plantas, podem agir como 

fatores de virulência 

Catabolismo de compostos tóxicos:

% 



Resultados 

Análise comparativa do secretoma de fitopatógenos e 

não patógenos 

Em bactérias e oomicetos: proteínas secretadas (efetores) são importantes 

para estabelecer a infecção da planta, desarmando as defesas e subvertendo os 

processos celulares para as necessidades dos patógenos invasores. 

Porcentagem do 

proteoma total 

que é secretada 

em cada fungo 

(predição)



Resultados 

Análise comparativa do secretoma de fitopatógenos e 

não patógenos 

Famílias de proteínas que foram exclusivas ou pelo menos duas 

vezes mais comuns no secretoma de fitopatógenos do que nos 

saprófitos: 

Potenciais efetores em fungos: 

• Proteases secretadas 

• Fatores de transcrição 

• Proteínas envolvidas em rearranjos do citoesqueleto 

• Interações proteína-proteína 

• Isochorisimatases secretadas específicas de patógenos: 

podem suprimir as defesas dependente de ácido salicílico da planta 

Genes efetores são alvo direto das forças evolutivas que dirigem a coevolução 

(arms race) entre patógeno e hospedeiro, pois seus fenótipos se estendem às 

células e tecidos da planta (seleção positiva – taxa evolutiva acelerada)



Conclusões 

Embora a evolução da fitopatogenicidade tenha 

acontecido várias vezes e os estilos de vida 

destes fungos sejam diversos, as comparações 

genômicas permitem: 

Apontar novas famílias de genes que podem ter funções 

na virulência de fitopatógenos, permitindo sua seleção para 

estudos funcionais; 

Identificar mecanismos patogênicos conservados e 

inovações e adaptações patogênicas linhagem-específicas; 

Revelar onde eventos de transferência gênica horizontal 

contribuíram para aquisição de novas funções associadas à 

virulência



Desafios e Perspectivas: 

Como aplicar a riqueza de informações obtidas a partir dos 

estudos genômicos para melhorar a produção vegetal? 

A descoberta de genes efetores de fungos que tem 

importante contribuição para virulência pode permitir a 

identificação dos melhores genes R a serem utilizados. 

Efetores podem permitir a identificação dos processos que 

são perturbados na planta hospedeira, permitindo a 

modificação destes alvos para insensibilidade, ou 

Utilização dos genes alvo na planta como marcadores QTL 

para o melhoramento vegetal. 

Bent & Mackey (2007)

Análise genômica comparativa: estudos evolutivos 

Duplicação e perda de genes: inovação funcional 

Os princípios que governam estes processos não são entendidos 

Acúmulo de genomas: reconstrução da história de 

duplicação e perdas de genes entre espécies


Estudos de duplicação e perda de genes: resolução de 

ortologia e paralogia (difícil) 

Sistema 

computacional 

(SYNERGY) 

Resolução da história evolutiva de 

todos os genes de 17 genomas de 

fungos ascomicetos (300 milhões de 

anos de evolução)


Aparecimento 

Duplicação 

Perda 

Reconstrução dos eventos evolutivos

Patógenos de plantas: 

História evolutiva complexa 

Transferência Horizontal 

Expansão e perda de genes 

de metabolismo secundário 

Expansão e perda de genes 

de receptores celulares 

Soanes et al (2007)


Duplicação e 

perda de genes: 

é altamente limitada pelas 

propriedades funcionais e padrões 

de interação dos genes. 

Genes relacionados à estress exibem mais duplicações, 

enquanto genes relacionados ao crescimento mostram 

seleção contra tais mudanças. 

Destino funcional de 

genes duplicados: 

raramente divergem quanto a função 

bioquimica, mas divergem com 

relação ao controle regulatório. 

Criação das ferramentas de análise: extensão deste tipo de análise 

para outros organismos (plantas e animais)

Considerações / Desafios / Perspectivas 

Acúmulo de seqüências genômicas de fungos: 

Resposta da planta à colonização por fungos 

mutualistas e patogênicos: 

padrões comuns nos 

primeiros estágios de 

infecção 

www.plantcell.org/cgi/content/full/tpc.105.035410/DC1 

Surgimento de novas linhas de pesquisa: análise in silico – 

biologia de sistemas

OBRIGADA!

Apresentação - Genética - USP

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