Expression Analysis of Host-Induced Genes and Proteins of Potato Pathogen Pectobacterium atrosepticum

Pectobacterium atrosepticum on Gram-negatiivinen bakteeri, joka aiheuttaa perunan tyvi- ja märkämätää. P. atrosepticum bakteerin optimilämpötila on melko alhainen ja se on yleinen lauhkeilla alueilla. Tyvimätä leviää pääasiassa siemenperunan välityksellä ja siksi se on ongelma erityisesti siemenperunan tuotannossa. P. atrosepticum kannan SCRI1043 genomi on julkaistu ja sitä tutkitaan malliorganismina märkä- ja tyvimädän taudinaiheuttamisen ymmärtämiseksi. Tämä opportunistinen taudinaiheuttaja voi elää isäntäkasvissa kuukausia piilevänä, aiheuttamatta näkyviä oireita. Suotuisissa olosuhteissa bakteerit alkavat jakautua ja tuottaa kasvin kudoksia hajottavia entsyymejä. Mädäntyvä kasvimassa tarjoaa ravinteita bakteerien kasvuun ja mahdollistaa isäntäkasvin asuttamisen. Soluseiniä hajottavien entsyymien merkitys taudinaiheuttamisessa on hyvin tunnettu, mutta oireettomasta jaksosta ja taudin alkuvaiheista tiedätään vain vähän. Bakteerin genomi sisältää monia toksiineja, adhesiineja, hemolysiineja ja muita proteiineja, joilla saattaa olla merkitys taudinaiheuttamisessa. Tässä työssä käytettiin proteomiikkaa ja mikrosiruanalysiä P. atrosepticum bakteerin erittyvien proteiinien ja geeniekspression tutkimiseen. Proteiinit, jotka eritetään ulos bakteerista, toimivat todennäköisesti taudinaiheuttamisessa, koska ne ovat suorassa kontaktissa isäntäkasvin kanssa. Analyysit suoritettiin olosuhteissa, jotka muistuttavat kasvin soluvälitilaa: matala pH, vähän ravinteita ja matala lämpötila. Isäntäkasvin läsnäolon vaikutusta proteiinien tuottoon ja geeniekspressioon tutkittiin lisäämällä perunauutetta kasvatusalustaan. Tutkimuksessa tunnistettiin P. atrosepticum bakteerin monia jo tunnettuja ja mahdollisesti taudinaiheuttamiseen liittyviä proteiineja. Perunauute lisäsi hiljattain tunnistetun, proteiinien eritysreittiä (tyyppi VI sekreetio, T6SS) koodaavien geenien ilmentymistä. Lisäksi bakteerin havaittiin erittävän useita T6SS:n liittyviä proteiineja kasvualustaan, johon oli lisätty perunauutetta. T6SS:n merkitys bakteereille on vielä epäselvä ja sen vaikutuksesta taudinaiheuttamiseen on julkaistu ristiriitaisia tuloksia. Märkä- ja tyvimädän ymmärtäminen molekulaarisella tasolla luo pohjan tautien kontrollointiin tähtäävään soveltavaan tutkimukseen. Tämä tutkimus lisää tietoa kasvi-patogeeni- interaktiosta ja sitä voidaan tulevaisuudessa käyttää hyväksi esimerkiksi diagnostiikassa, resistenttien perunalajikkeiden jalostuksessa tai viljely- ja varastointiolosuhteiden parantamisessa.

The plant pathogen Pectobacterium atrosepticum is a Gram-negative bacterium that causes the diseases soft rot and blackleg in potato. Of the soft rotting bacteria, it has the lowest temperature optimum and it is prevalent in temperate climates. Blackleg spreads mainly through contaminated seed tubers and therefore the disease is a problem especially in the production of seed potatoes. The genome of the P. atrosepticum strain SCRI1043 has been published and it has been studied as a model organism to understand the pathogenesis of soft rot and blackleg. It is an opportunistic pathogen that can live as a biotroph in the host plant for months, without causing symptoms. As the environmental conditions turn favourable, the bacteria start to multiply and produce large amounts of plant cell wall degrading enzymes that macerate the plant tissues. The degraded plant tissue provides nutrients for the bacterial growth and enables colonization of the host. The role of the tissue degrading enzymes in pathogenesis is well known, but the latent phase and beginning of the disease are poorly understood. The genome of the bacterium revealed many putative toxins, adhesins, hemolysins and proteins that might have a function in pathogenesis. In this work, proteomics and microarray analysis were used to study the secreted proteins (secretome) and gene expression of P. atrosepticum. The proteins secreted by the bacterium are likely to have a role in virulence, because they are in direct contact with the host cells. The analyses were performed in conditions resembling plant apoplastic space: low pH, minimal nutrients and low temperature. To reveal the host induced genes and proteins, potato extract was added to the cultivation medium. Many known and putative virulence factors were identified in this study. Potato extracts induced the expression of a recently described secretion pathway, type VI secretion system (T6SS). This conserved system was first described in 2006 and since then it has been the subject of intense scrutiny in many laboratories. In this study, the T6SS of P. atrosepticum was characterized. P. atrosepticum was found to secrete hemolysin-coregulated proteins (Hcp) in a T6SS-dependent manner, and the secretion was dependent on VasK, a putative membrane component of the apparatus. A putative sigma-54 dependent regulator VasH was demonstrated to be a positive regulator of T6SS. Previous evidence indicated that T6SS was a virulence mechanism but the results of this study do not support that hypothesis, since the secretion mutant and regulatory mutant of P. atrosepticum T6SS had increased virulence in the potato maceration assay.