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Título: Termotolerância em Arracacia xanthorrhiza: RNA-seq e análise de famílias gênicas com estratégias computacionais
Título(s) alternativo(s): Thermotolerance in Arracacia xanthorrhiza: RNA-seq and gene family analysis using computational strategies
Autor(es): Silva, Emanueli Pereira da
Orientador(es): Finatto, Taciane
Palavras-chave: Plantas - Efeito da temperatura
Proteínas
Genômica
Produtividade agrícola
Plants - Effect of temperature on
Proteins
Genomics
Agricultural productivity
Data do documento: 17-Dez-2025
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Pato Branco
Citação: SILVA, Emanueli Pereira da. Termotolerância em Arracacia xanthorrhiza: RNA-seq e análise de famílias gênicas com estratégias computacionais. 2025. Tese (Doutorado em Agronomia) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Pato Branco, 2025.
Resumo: As mudanças climáticas têm aumentado episódios de calor extremo e imposto desafios à produção agrícola, especialmente para espécies sensíveis à temperatura. Arracacia xanthorrhiza Bancroft, a mandioquinha-salsa, é uma hortaliça andina de grande importância socioeconômica, porém ainda pouco estudada em nível genômico e molecular. Este trabalho investigou a base molecular da resposta ao estresse térmico em A. xanthorrhiza e em espécies próximas de Apiaceae, integrando análise bibliométrica, um pipeline bioinformático para identificação de famílias gênicas e dados de transcriptoma de novo. A análise bibliométrica mostrou que a pesquisa sobre A. xanthorrhiza está concentrada em poucos países (especialmente Brasil e regiões andinas) e focada em ciência e tecnologia de alimentos, amido e nutrição. Estudos agronômicos, genômicos e de estresses abióticos são menos frequentes, evidenciando lacunas importantes para biotecnologia e adaptação climática. Há, contudo, um crescimento recente de trabalhos voltados à sustentabilidade e a cultivos resilientes. Na etapa comparativa, o pipeline baseado em domínios conservados permitiu identificar as famílias HSF e HSP (HSP20, HSP40, HSP60, HSP70, HSP90 e HSP100) em Arabidopsis thaliana e em quatro Apiaceae cultivadas. Todas as famílias foram detectadas em todas as espécies, com variações no número de loci, na estrutura exon–íntron e na localização subcelular. As árvores filogenéticas agruparam os genes conforme a classificação funcional de A. thaliana e revelaram expansões e duplicações em subfamílias específicas. Os motivos conservados confirmaram a preservação dos domínios críticos, oferecendo uma visão comparativa da evolução dessas famílias em resposta ao calor. No transcriptoma de novo de A. xanthorrhiza, montado a partir de plantas da cultivar Pavão sob condição controle e estresse, as bibliotecas apresentaram 20–24 milhões de leituras, com mais de 96 % de mapeamento. A montagem gerou 280.571 transcritos (médio de 884 nt; N50 = 1.393 nt; Ex90N50 =1.465 nt), com 30,8 % acima de 1 kb. O BUSCO indicou 86,9 % de ortólogos completos, refletindo boa recuperação gênica e a complexidade da espécie tetraploide. Foram identificados 12 genes diferencialmente expressos entre os tratamentos, incluindo HSP20, chaperonas HSP100/ClpB e proteínas associadas à regulação e remodelamento proteico. A anotação funcional destacou dobramento proteico, resposta ao calor e homeostase. As categorias GO e a via KEGG predominante (processamento e enovelamento de proteínas) reforçam o papel das chaperonas na proteção celular. A ausência de HSFs entre os DEGs sugere que o ponto amostral captou uma fase específica da resposta, possivelmente regulada por mecanismos pós-transcricionais. Integrados, os resultados mostram que A. xanthorrhiza responde ao calor principalmente por meio de chaperonas e manutenção da integridade proteica, sustentada por famílias HSP/HSF conservadas entre Apiaceae, mas com expansões específicas. A articulação entre análise bibliométrica, comparativa e transcriptômica fornece o primeiro panorama sistemático da termotolerância na espécie e estabelece bases para avanços em melhoramento, biotecnologia e manejo em cenários de aquecimento global.
Abstract: Climate change has increased the frequency of extreme heat events and imposed significant challenges on agricultural production, especially for temperature-sensitive species. Arracacia xanthorrhiza Bancroft, known as mandioquinha-salsa, is an Andean vegetable of high socioeconomic importance, yet remains poorly studied at the genomic and molecular levels. This work investigated the molecular basis of the heat-stress response in A. xanthorrhiza and in closely related Apiaceae species, integrating bibliometric analysis, a bioinformatic pipeline for gene-family identification, and de novo transcriptome data. The bibliometric analysis showed that research on A. xanthorrhiza is concentrated in a few countries, mainly Brazil and Andean regions, and is primarily focused on food science and technology, starch properties, and nutritional composition. Agronomic, genomic, physiological, and abiotic-stress studies are less frequent, revealing important gaps for biotechnology and climate-adaptation strategies. Nevertheless, there has been recent growth in studies connecting the species to sustainability and resilient cropping systems. In the comparative stage, the pipeline based on conserved domains enabled the identification of HSF and HSP families (HSP20, HSP40, HSP60, HSP70, HSP90, and HSP100) in Arabidopsis thaliana and in four cultivated Apiaceae species. All families were detected in all species, with variation in gene counts, exon–intron structure, and predicted subcellular localization. Phylogenetic trees grouped the genes according to the functional classification of A. thaliana and revealed expansions and duplications in specific subfamilies. Conserved motifs confirmed the preservation of critical functional domains, providing a comparative perspective on the evolution of these families in heat-stress response. In the de novo transcriptome of A. xanthorrhhiza, assembled from Pavão cultivar plants under control and heat-stress conditions, libraries contained 20–24 million reads with over 96% mapping. The assembly generated 280,571 transcripts (mean length 884 nt; N50 = 1,393 nt; Ex90N50 = 1,465 nt), with 30.8% exceeding 1 kb. BUSCO analysis indicated 86.9% complete orthologs, reflecting good gene-space recovery and the complexity associated with the species’ tetraploid genome. Twelve differentially expressed genes were identified, including HSP20, HSP100/ClpB chaperones, and proteins involved in regulation and proteome remodeling. Functional annotation highlighted protein folding, heat response, and proteostasis. GO categories and the predominant KEGG pathway, protein processing and folding, reinforced the central role of chaperones in cellular protection. The absence of HSFs among the DEGs suggests that the sampled time-point captured a specific phase of the response, possibly regulated by post-transcriptional mechanisms. Taken together, the results demonstrate that A. xanthorrhiza responds to heat primarily through chaperones and protein-integrity maintenance, supported by conserved HSP/HSF families across Apiaceae, with evidence of subfamily-specific expansions. The integration of bibliometric, comparative, and transcriptomic analyses provides the first systematic overview of thermotolerance in mandioquinha-salsa and establishes a foundation for advances in breeding, biotechnology, and crop management under global warming scenarios.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/39631
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