Gene regulatory networks to identify adaptations in two Spodoptera frugiperda strains to different diets

Orientadores: Marcelo Mendes Brandão, Renato Vicentini dos Santos Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia Resumo: Spodoptera frudiperda (JE Smith) (Lepidoptera: Noctuidae) é uma praga de grande importância agrícola. Isso acontece, principalmente, devido a ser um inseto polífago. Utiliza como fonte de alimento algumas culturas de grande relevância para a indústria como milho, arroz e algodão. Essa espécie é dividida em duas raças que não se distinguem morfologicamente. Porém apresentam padrões de comportamento, preferência alimentar e desenvolvimento distintos quando alimentadas em diferentes hospedeiros. Insetos e plantas têm tido um longo processo de interações e coevolução que afetam organismos em níveis desde bioquímica básica até genética de populações. Suas defesas têm sido articuladas no tempo e espaço por redes regulatórias altamente complexas que são moduladas através de outras vias de sinalização. Essas respostas integradas levam a um padrão de expressão gênica característico que resulta em alterações em cada organismo. Herbívoros dependem das proteases digestivas para degradar proteínas em peptídeos e aminoácidos essenciais para a biossíntese de suas proteínas funcionais e estruturais. Inibidores de proteases produzidos pela planta são sua principal defesa contra herbivoria. Insetos podem contornar esses efeitos deletérios. Um dos maiores objetivos da biologia de sistemas tem sido integrar informações de diversos bancos de dados e modelá-los através de técnicas de matemática e estatística para entender e predizer o comportamento de células e organismos sob determinadas condições. Este trabalho objetivou inferir redes de regulação de genes responsáveis pela diferenciação dos padrões de expressão gênica nos processos de digestão de duas raças, arroz e milho, de S. frugiperda. Para isso, foram utilizadas estratégias de obtenção de redes incluindo redes de coexpressão, redes de coexpressão ponderada e redes bayesianas. Além disso, a expressão desses genes foi relacionada com caracteres fenotípicos. Foi possível obter uma visão geral das relações entre os genes dos transcriptoma das raças milho e arroz de S. frugiperda quando alimentadas por cinco tipos de dieta, sendo elas dieta artificial, milho, arroz, algodão e algodão rico em gossipol. A rede de coexpressão total do transcriptoma apresentou um padrão característico de redes biológicas. Isso permitiu estudar o comportamento da rede aplicando propriedades já descritas para esse tipo de rede. Foram identificados genes com alto número de ligações que podem ter papel-chave. A rede ficou dividida em duas porções. Uma dessas porções é mais robusta e apresenta genes de resposta mais lenta. Pode-se sugerir que são genes de housekeeping. Genes diferencialmente expressos ficaram agrupados numa mesma região da rede. A rede foi dividida em aglomerados de genes mais correlacionados. Foram identificados genes que têm relação direta com peptidases e suas funções. Trinta e dois genes exclusivos da raça milho e quatro da raça arroz estão ligados diretamente às peptidases. Peptidases da mesma classe ficaram próximas na rede. As peptidases fazem um grande número de ligações. Foi mostrado como é o comportamento da expressão gênica da rede das peptidases em cada raça sob cada dieta. A rede de coexpressão ponderada permitiu observar como grupos de genes mais relacionados podem influenciar as características fenotípicas. As redes bayesianas permitiram relacionar como cada uma das variáveis fenotípicas e dietas se relacionam com genes específicos. Houve diferença dos padrões de expressão gênica nas redes bayesianas com relação a raça e dieta. Isso permitiu identificar genes mais expressos em cada raça, dieta e o comportamento deles na rede Abstract: Spodoptera frudiperda (JE Smith) (Lepidoptera: Noctuidae) is a pest of great agricultural importance. This happens mainly because it is a polyphagous insect. It uses as food source some crops of great relevance for the industry like maize, rice and cotton. This species is divided into two races that are not morphologically distinguishable. However, they present distinct patterns of behavior, food preference and development when fed on different hosts. Insects and plants have had a long process of interactions and coevolution affecting organisms at levels ranging from basic biochemistry to population genetics. Their defenses have been articulated in time and space by highly complex regulatory networks that are modulated through other signaling pathways. These integrated responses lead to a characteristic pattern of gene expression that results in changes in each organism. Herbivores rely on digestive proteases to degrade proteins in peptides and essential amino acids for the biosynthesis of their functional and structural proteins. Inhibitors of proteases produced by the plant are its main defense against herbivory. Insects can overcome these deleterious effects. One of the major goals of systems biology has been to integrate information from various databases and model them through math and statistical techniques to understand and predict the behavior of cells and organisms under certain conditions. This work aimed to infer the regulation networks of genes responsible for the differentiation of gene expression patterns in the digestion processes of two strains, rice and corn, of S. frugiperda. For this, network strategies were used including coexpression networks, weighted coexpression networks and Bayesian networks. In addition, the expression of these genes was related to phenotypic characters. It was possible to obtain an overview of the relationships between the transcriptome genes of the corn and rice S. frugiperda strains when fed on five types of diets: artificial diet, corn, rice, cotton and cotton rich in gossypol. The total co-expression network of the transcriptome presented a characteristic pattern of biological networks. This allowed to study the behavior of the network applying properties already described for this type of network. We have identified genes with high number of interactions that plays a key role. The network was divided into two portions. One of these portions is more robust and has slower response genes. One might suggest that they are housekeeping genes. Differentially expressed genes were grouped in the same region of the network. The network was divided into clusters of more correlated genes. Genes that have a direct relationship with peptidases and their functions have been identified. Thirty-two genes unique to the corn strain and four genes unique to rice strain are linked directly to the peptidases. Peptidases of the same class were nearby in the network. The peptidases make a large number of interactions. The behavior of the gene expression of the peptidase network in each strain under each diet was shown. The weighted coexpression network allowed to observe how groups of more related genes can influence the phenotypic characteristics. The Bayesian networks allowed to relate how each of the phenotypic variables and diets relate to specific genes. There were differences in gene expression patterns in the Bayesian networks with respect to strain and diet. This allowed to identify more expressed genes in each strain, diet and their behavior in the network Doutorado Bioinformática Doutora em Genética e Biologia Molecular CNPQ 140909/2013-3