Genômica comparativa de algas da classe trebouxiophyceae

Abstract

A classe Trebouxiophyceae é um grupo de algas morfologicamente heterogêneo que habitam principalmente o solo e águas doces. Estas algas estão presentes, também, no continente Antártico, que é o quinto maior continente em extensão, com aproximadamente 13,7 milhões de km2. É um continente extremo, sendo o mais alto, mais frio, mais seco e com os ventos mais fortes. Em adição a estas condições climáticas extremas, as radiações UVA e UVB são aspectos que afetam a estrutura e desenvolvimento de plantas. A espécie mais comumente relatada é Prasiola crispa (Lightfoot) Kützing. Esta alga normalmente cresce em solos úmidos que são fertilizados pelo guano do pássaro, dentro e adjacente às colônias de pinguins. Tolera repetidos ciclos de congelamento/descongelamento na primavera e no outono, o congelamento durante o inverno e altos níveis de radiação UV durante o verão. Os organismos presentes na vegetação Antártica, por apresentarem características tão peculiares, se tornam um bom alvo para o estudo de suas organelas acessórias. A exploração do genoma de organelas acessórias revelou uma surpreendente arquitetura genômica. Alguns dos mais diversos e incomuns DNA de mitocôndria e cloroplasto vem de algas verdes. Apesar de numerosas funções biológicas de ambas organelas, elas dependem consideravelmente de proteínas codificadas e importadas do núcleo. A compreensão do genoma de organelas acessórias dará um forte impacto nos domínios da evolução, biologia e biotecnologia. Com base na literatura referente a P. crispa e podendo o genoma de organelas fornecer informações tão importantes, nosso grupo sequenciou os genomas mitocondrial e plastidial da alga antártica P. crispa. O DNA das organelas foi sequenciado pelo serviço Macrogen em um aparelho de sequenciamento de nova geração Solexa-Illumina Hi Seq 2500, de acordo com as instruções do fabricante. A montagem da sequência foi realizada com o software SOAPdenovo2. Todas as ORFs foram anotadas utilizando CpGAVAS e Mitofy, para cloroplasto e mitocôndria, respectivamente. A partir de dados obtidos do NCBI, referentes a espécies de algas Trebouxiophyceae com mtDNA e cpDNA sequenciados, estes dados foram comparados com os dados de P. crispa em relação a tamanho em pares de base, número de CDS, conteúdo G+C, tRNA, rRNA, assim como ausência e presença de genes relacionados a produção de energia e estresse oxidativo. Com base em nossos resultados, observa-se que P. crispa apresenta os genomas mitocondrial e plastidial grandes, porém em relação ao número de genes, a espécie fica entre as espécies de Trebouxiophyceae com menores conteúdos gênicos. P. crispa também não apresenta vários genes relacionados ao fotossistema I e II e à síntese de ATP no cloroplasto, funções estas importantes para o metabolismo de energia da planta. Na mitocôndria, vários genes relacionados ao complexo oxidativo e a síntese de ATP estão ausentes, sendo essas funções cruciais para o sobrevivência do organismo. Uma hipótese possível é que esses genes tenham sido incorporados pelo genoma nuclear durante a evolução da planta. Estudos futuros, como, por exemplo, o sequenciamento do genoma nuclear de P. crispa poderão elucidar questões como esta. Palavras-Chave: Prasiola crispa, genoma mitocondrial, genoma plastidial, Trebouxiophyceae.

The Trebouxiophyceae class is a group of morphologically heterogeneous algae mainly inhabit the soil and freshwater. These algae are present also in the Antarctic continent, which is the fifth largest continent in size, with approximately 13.7 million km2. It is a continet of extremes, being the highest, coldest, driest and with the strongest winds. In addition to these extreme weather conditions, UVA and UVB radiation are aspects that affect the structure and development of plants. The most commonly reported specie is Prasiola crispa (Lightfoot) Kützing. This algae usually grows in moist soils that are fertilized by the guano bird, within and adjacent to colonies of penguins It tolerates repeated freeze/thaw cycles in the spring and fall, freezing during the winter, and high UV radiation levels during the summer. The organisms in the Antarctic vegetation, because of their peculiar characteristics, become a good target to study its accessory organelles. The exploration of the genome of accessory organelles revealed a surprising genomic architecture. Some of the most varied and unusual mitochondria and chloroplast DNA comes from green algae. Despite numerous biological functions of both organelles, they rely heavily on imported and encoded proteins from the nucleus. Understanding the genome of accessory organelles represents a strong impact in the fields of evolution, biology and biotechnology. Based on the current literature on P. crispa and how the genome of organelles provide such important information, our group sequenced the mitochondrial and plastid genomes from the Antarctic algae P. crispa. Organelle DNA was sequenced by the Macrogen DNA Sequencing Service in a Solexa-IlluminaHiSeq 2500 New Generation Sequencing (NGS) device according to the manufacturer’s instructions. Sequence assembly was performed with SOAPdenovo2 software v2.01. All ORFs were annotated using CpGAVAS and Mitofy for chloroplast and mitochondrial genomes respectively. The data obtained from the NCBI relating to species of Trebouxiophyceae algae with mtDNA and cpDNA sequenced were compared with the data of P. crispa relative to base pair size, number of CDS, G+C content, tRNA, rRNA, as well as absence and presence of genes related to energy production and oxidative stress. Based on our results, it was observed that P. crispa possesses one of the largest mitochondrial and plastid genome, but in relation to the number of genes between the Trebouxiophyceae species. P crispa has the smallest gene content, it does not contain several genes related to the photosystem I and II and the synthesis of ATP in the chloroplast and these are related to important functions of the plant for energy metabolism. Various genes related to mitochondrial oxidative complex and ATP synthesis are absent, and these are critical functions for the organism survival. One possible explanation is that these genes have been incorporated into the nuclear genome of the plant during it development. Future studies, such as the sequencing of P. crispa nuclear genome may elucidate issues like this. Keywords: Prasiola crispa, mitochondrial genome, plastid genome, Trebouxiophyceae