Functional characterization of YODA, a mitogen-activated protein kinase kinase kinase (MAP3K) that regulates a novel innate immunity pathway in Arabidopsis thaliana

Las cascadas de señalización mediadas por proteína quinasas activadas por mitógeno (MAP quinasas) son capaces de integrar y transducir señales ambientales en respuestas celulares. Entre estas señales se encuentran los PAMPs/MAMPs (Pathogen/Microbe-Associated Molecular Patterns), que son moléculas de patógenos o microorganismos, o los DAMPs (Damaged-Associated Molecular Patterns), que son moléculas derivadas de las plantas producidas en respuesta a daño celular. Tras el reconocimiento de los PAMPs/DAMPs por receptores de membrana denominados PRRs (Pattern Recognition Receptors), como los receptores con dominio quinasa (RLKs) o los receptores sin dominio quinasa (RLPs), se activan respuestas moleculares, incluidas cascadas de MAP quinasas, que regulan la puesta en marcha de la inmunidad activada por PAMPs (PTI). Esta Tesis describe la caracterización funcional de la MAP quinasa quinasa quinasa (MAP3K) YODA (YDA), que actúa como un regulador clave de la PTI en Arabidopsis. Se ha descrito previamente que YDA controla varios procesos de desarrollo, como la regulación del patrón estomático, la elongación del zigoto y la arquitectura floral. Hemos caracterizado un alelo mutante hipomórfico de YDA (elk2 o yda11) que presenta una elevada susceptibilidad a patógenos biótrofos y necrótrofos. Notablemente, plantas que expresan una forma constitutivamente activa de YDA (CA-YDA), con una deleción en el dominio N-terminal, presentan una resistencia de amplio espectro frente a diferentes tipos de patógenos, incluyendo hongos, oomicetos y bacterias, lo que indica que YDA juega un papel importante en la regulación de la resistencia de las plantas a patógenos. Nuestros datos indican que esta función es independiente de las respuestas inmunes mediadas por los receptores previamente caracterizados FLS2 y CERK1, que reconocen los PAMPs flg22 y quitina, respectivamente, y que están implicados en la resistencia de Arabidopsis frente a bacterias y hongos. Hemos demostrado que YDA controla la resistencia frente al hongo necrótrofo Plectosphaerella cucumerina y el patrón estomático mediante su interacción genética con la RLK ERECTA (ER), un PRR implicado en la regulación de estos procesos. Por el contrario, la interacción genética entre ER y YDA en la regulación de otros procesos de desarrollo es aditiva en lugar de epistática. Análisis genéticos indicaron que MPK3, una MAP quinasa que funciona aguas abajo de YDA en el desarrollo estomático, es un componente de la ruta de señalización mediada por YDA para la resistencia frente a P. cucumerina, lo que sugiere que el desarrollo de las plantas y la PTI comparten el módulo de transducción de MAP quinasas asociado a YDA. Nuestros experimentos han revelado que la resistencia mediada por YDA es independiente de las rutas de señalización reguladas por las hormonas de defensa ácido salicílico, ácido jasmónico, ácido abscísico o etileno, y también es independiente de la ruta de metabolitos secundarios derivados del triptófano, que están implicados en inmunidad vegetal. Además, hemos demostrado que respuestas asociadas a PTI, como el aumento en la concentración de calcio citoplásmico, la producción de especies reactivas de oxígeno, la fosforilación de MAP quinasas y la expresión de genes de defensa, no están afectadas en el mutante yda11. La expresión constitutiva de la proteína CA-YDA en plantas de Arabidopsis no provoca un aumento de las respuestas PTI, lo que sugiere la existencia de mecanismos de resistencia adicionales regulados por YDA que son diferentes de los regulados por FLS2 y CERK1. En línea con estos resultados, nuestros datos transcriptómicos revelan una sobre-representación en plantas CA-YDA de genes de defensa que codifican, por ejemplo, péptidos antimicrobianos o reguladores de muerte celular, o proteínas implicadas en la biogénesis de la pared celular, lo que sugiere una conexión potencial entre la composición e integridad de la pared celular y la resistencia de amplio espectro mediada por YDA. Además, análisis de fosfoproteómica indican la fosforilación diferencial de proteínas relacionadas con la pared celular en plantas CA-YDA en comparación con plantas silvestres. El posible papel de la ruta ER-YDA en la regulación de la integridad de la pared celular está apoyado por análisis bioquímicos y glicómicos de las paredes celulares de plantas er, yda11 y CA-YDA, que revelaron cambios significativos en la composición de la pared celular de estos genotipos en comparación con la de plantas silvestres. En resumen, nuestros datos indican que ER y YDA forman parte de una nueva ruta de inmunidad que regula la integridad de la pared celular y respuestas defensivas, confiriendo una resistencia de amplio espectro frente a patógenos. ABSTRACT Plant mitogen-activated protein kinase (MAPK) cascades transduce environmental signals and developmental cues into cellular responses. Among these signals are the pathogen- or microbe-associated molecular patterns (PAMPs or MAMPs) and the damage-associated molecular patterns (DAMPs). These PAMPs/DAMPs, upon recognition by plant pattern recognition receptors (PRRs), such as Receptor-Like Kinases (RLKs) and Receptor-Like Proteins (RLPs), activate molecular responses, including MAPK cascades, which regulate the onset of PAMP-triggered immunity (PTI). This Thesis describes the functional characterization of the MAPK kinase kinase (MAP3K) YODA (YDA) as a key regulator of Arabidopsis PTI. YDA has been previously described to control several developmental processes, such as stomatal patterning, zygote elongation and inflorescence architecture. We characterized a hypomorphic, non-embryo lethal mutant allele of YDA (elk2 or yda11) that was found to be highly susceptible to biotrophic and necrotrophic pathogens. Remarkably, plants expressing a constitutive active form of YDA (CA-YDA), with a deletion in the N-terminal domain, showed broad-spectrum resistance to different types of pathogens, including fungi, oomycetes and bacteria, indicating that YDA plays a relevant function in plant resistance to pathogens. Our data indicated that this function is independent of the immune responses regulated by the well characterized FLS2 and CERK1 RLKs, which are the PRRs recognizing flg22 and chitin PAMPs, respectively, and are required for Arabidopsis resistance to bacteria and fungi. We demonstrate that YDA controls resistance to the necrotrophic fungus Plectosphaerella cucumerina and stomatal patterning by genetically interacting with ERECTA (ER) RLK, a PRR involved in regulating these processes. In contrast, the genetic interaction between ER and YDA in the regulation of other ER-associated developmental processes was additive, rather than epistatic. Genetic analyses indicated that MPK3, a MAP kinase that functions downstream of YDA in stomatal development, also regulates plant resistance to P. cucumerina in a YDA-dependent manner, suggesting that the YDA-associated MAPK transduction module is shared in plant development and PTI. Our experiments revealed that YDA-mediated resistance was independent of signalling pathways regulated by defensive hormones like salicylic acid, jasmonic acid, abscisic acid or ethylene, and of the tryptophan-derived metabolites pathway, which are involved in plant immunity. In addition, we showed that PAMP-mediated PTI responses, such as the increase of cytoplasmic Ca2+ concentration, reactive oxygen species (ROS) burst, MAPK phosphorylation, and expression of defense-related genes are not impaired in the yda11 mutant. Furthermore, the expression of CA-YDA protein does not result in enhanced PTI responses, further suggesting the existence of additional mechanisms of resistance regulated by YDA that differ from those regulated by the PTI receptors FLS2 and CERK1. In line with these observations, our transcriptomic data revealed the over-representation in CA-YDA plants of defensive genes, such as those encoding antimicrobial peptides and cell death regulators, and genes encoding cell wall-related proteins, suggesting a potential link between plant cell wall composition and integrity and broad spectrum resistance mediated by YDA. In addition, phosphoproteomic data revealed an over-representation of genes encoding wall-related proteins in CA-YDA plants in comparison with wild-type plants. The putative role of the ER-YDA pathway in regulating cell wall integrity was further supported by biochemical and glycomics analyses of er, yda11 and CA-YDA cell walls, which revealed significant changes in the cell wall composition of these genotypes compared with that of wild-type plants. In summary, our data indicate that ER and YDA are components of a novel immune pathway that regulates cell wall integrity and defensive responses, which confer broad-spectrum resistance to pathogens.

Caracterización de poblaciones de vid silvestre de la Península Ibérica

La vid silvestre se considera como el ancestro autóctono de las vides cultivadas y una enorme reserva genética en peligro de extinción. La prospección llevada a cabo entre 2003 y 2004 permitió catalogar 51 localizaciones de vides silvestres españolas, la mayoría de ellas ubicadas en riberas de ríos. Estos ejemplares se incluyeron en el Banco de Germoplasma de la Finca "El Encín" (BGVCAM - Alcalá de Henares, Madrid, España). En primer lugar, se caracterizó la cantidad y la distribución de su diversidad genética utilizando 25 loci empleando microsatélites nucleares (SSR). Hemos analizado también la posible coexistencia en el hábitat natural de vides silvestres con vides cultivadas naturalizadas y portainjertos. De este modo, los análisis fenotípicos y genéticos identificaron el 19% de las muestras recogidas como derivadas de genotipos cultivados, siendo, o bien vides cultivadas naturalizadas o genotipos híbridos derivados de cruces espontáneos entre vides silvestres y cultivadas. La diversidad genética de las poblaciones de vides silvestres fue similar a la observada en el grupo de las cultivadas. El análisis molecular mostró que el germoplasma de cultivadas y silvestres es genéticamente divergente con bajo nivel de introgresión. Se ha identificado cuatro grupos genéticos, con dos de ellos fundamentalmente representados por los genotipos de vides cultivadas y dos por las accesiones silvestres. El análisis de los vínculos genéticos entre las vides silvestres y cultivadas podría sugerir una contribución genética de las accesiones silvestres españolas a las actuales variedades occidentales. En segundo lugar, se realizó un profundo estudio morfológico "ex situ " y se contrastaron con los resultados de la caracterización realizada en 182 variedades comerciales españolas de la misma colección. Todos los individuos silvestres mostraron diferencias morfológicas con Vitis vinifera L subsp. vinifera, pero no se encontraron diferencias significativas dentro Vitis vinifera L. subsp. sylvestris, ni por localización geográfica ni por sexo. Los resultados de este estudio describen las principales características morfológicas de las vides silvestres españolas y sus rasgos diferenciales con su pariente cultivada. Por último, se analizó la composición antociánica presente en 21 accesiones de vides silvestres de la Península Ibérica conservadas en el BGVCAM de la Finca "El Encín" y seleccionadas basándose en diferencias ampelográficas y caracterización molecular. La concentración de antocianinas es similar la encontrad en vides cultivadas con destino a la vinificación. Las accesiones estudiadas mostraron una variabilidad considerable en su perfil antociánico y fue posible distinguir varios grupos. Sin embargo, la presencia de material silvestre con perfiles antociánicos poco comunes o inexistentes en variedades españolas, sugiere que la variabilidad genética relacionada con antocianinas en poblaciones españolas de vides silvestres podría ser más alta que la de variedades cultivadas comúnmente consideradas de origen español. ABSTRACT The wild grapevine is considered an autochthonous relative of cultivated vines and a huge gene pool endangered in Europe. Prospecting carried out between 2003 and 2004 enabled to inventory 51 Spanish sites with wild grapevines, most of them located near rivers. These individuals were grafted in the collection of "El Encín" (BGVCAM - Alcalá de Henares, Madrid, Spain). Firstly, werw characterized the amount and distribution of their genetic diversity using 25 nuclear SSR loci. We have also analysed the possible coexistence in the natural habitat of wild grapevines with naturalized grapevine cultivars and rootstocks. In this way, phenotypic and genetic analyses identified 19% of the collected samples as derived from cultivated genotypes, being either naturalized cultivars or hybrid genotypes derived from spontaneous crosses between wild and cultivated grapevines. The genetic diversity of wild grapevine populations was similar than that observed in the cultivated group. The molecular analysis showed that cultivated germplasm and wild germplasm are genetically divergent with low level of introgression. We identified four genetic groups, with two of them fundamentally represented among cultivated genotypes and two among wild accessions. The analyses of genetic relationships between wild and cultivated grapevines could suggest a genetic contribution of wild accessions from Spain to current Western cultivars. Secondly, a morphological study was done "ex situ" and were compared with data from 182 Spanish commercial cultivars grown in the same collection. All wild individuals showed morphological differences with Vitis vinifera L. ssp. vinifera but no significant differences were found within Vitis vinifera L subsp. sylvestris neither by geographic origin nor by sex. A pattern with the main characteristics of Spanish wild grapevines is suggested. Ultimately, were investigated the anthocyanin composition of 21 mostly Spanish wild grapevine accessions preserved at BGVCAM "El Encín" and selected in consideration of observed ampelographic differences and molecular characterization. Total anthocyanin concentration was similar to that found in winegrape cultivars. The accessions studied showed considerable variability in their anthocyanin fingerprints and it was possible to distinguish several groups, similar to previous reports on the anthocyanin fingerprint of winegrapes. The anthocyanin composition of wild grapevine accessions was similar to that of cultivated grapes. Nevertheless, the presence of wild accessions with anthocyanin fingerprints uncommon or nonexistent in Spanish cultivated varieties suggests that the genetic variability related to anthocyanins in Spanish wild grapevine populations may be higher than that of cultivated varieties commonly considered of Spanish origin.

La regeneración natural del pino silvestre (Pinus sylvestris L.) en el Valle del Lozoya (Madrid): germinación y supervivencia inicial

La fase de establecimiento del regenerado es un proceso crítico para el desarrollo posterior de la masa tanto por las elevadas tasas de mortalidad que habitualmente lleva asociadas, como por proporcionar el material de partida del que van a disponer las fases subsiguientes. Las restricciones a la germinación y establecimiento de la regeneración del pino silvestre varían enormemente entre las distintas regiones de su extensa área de distribución geográfica. La región Mediterránea constituye un hábitat marginal de la especie en el que las condiciones ecológicas son muy diferentes a las del grueso de su área de distribución. Frente a otras limitaciones (frío, luz, encharcamiento…), en el entorno mediterráneo la tasa de mortalidad parece estar asociada a las condiciones micrometeorológicas del período estival - particularmente, a la sequía -, así como a la presencia excesiva de ganado o ungulados silvestres. No obstante, la mayoría de la información disponible sobre el proceso de regeneración de la especie procede del centro y norte de Europa, por lo que no es de aplicación directa en nuestra región, en la que los estudios de este tipo son mucho más escasos. El presente trabajo pretende contribuir a paliar esta relativa escasez a través del estudio del proceso de regeneración natural en el monte “Cabeza de Hierro”, masa irregular por bosquetes de pino silvestre, paradigma de gestión sostenible y uso múltiple. En este entorno, se pretende caracterizar y cuantificar tanto el proceso de germinación y supervivencia de la especie como la influencia de la cobertura vegetal (estratos arbóreo, arbustivo y herbáceo, y capa de restos vegetales) en su desarrollo. Se persigue así mismo analizar el efecto de la compactación del suelo sobre la persistencia de la masa y contrastar y comparar la eficacia de dos tratamientos edáficos de ayuda a la regeneración: escarificado y decapado+acaballonado. Con este fin se han planteado dos diseños experimentales consistentes en sendas redes de muestreo (Red de Muestreo I o RM I y Red de Muestreo II o RM II) integradas, respectivamente, por 192 y 24 parcelas de 1,5x1,5 m ubicadas bajo distintas condiciones de cobertura vegetal. Sobre una parte de estas parcelas (1/4 en la Red de Muestreo I; 1/2 en la Red de Muestreo II) se han aplicado tratamientos de ayuda a la regeneración (RM I: escarificado; RM II: decapado+acaballonado) y, tras llevar a cabo siembras controladas al inicio del período vegetativo, se han practicado controles periódicos de germinación y supervivencia durante uno (RM II) y tres años consecutivos (RM I). Se han realizado así mismo mediciones complementarias de variables micrometeorológicas, espesura, recubrimiento superficial del suelo y compactación. Los resultados obtenidos a partir de las experiencias realizadas en el monte objeto de estudio permiten concluir que, en relación con el proceso de regeneración natural de la especie en este tipo masa y entorno: 1) la regeneración del pino silvestre durante el primer período vegetativo presenta una tasa de éxito muy baja (1,4% de los sembrados), provocada por una elevada mortalidad durante el primer período estival (>92%) subsiguiente a una germinación de en torno al 17% de las semillas viables que llegan al suelo; 2) la mortalidad sigue siendo elevada hasta el tercer período vegetativo, en que comienza a reducirse significativamente hasta alcanzar el 45%; 3) la cobertura vegetal influye significativamente tanto en el proceso de germinación como en el de supervivencia, aunque ambos procesos presentan una baja correlación linear que pone de manifiesto que los lugares idóneos para la germinación no siempre son los más adecuados para la supervivencia; 4) la escarificación del suelo mejora las tasas iniciales de germinación y supervivencia, pero empeora la tasa de supervivencia posterior (años 2 y 3), por lo que su efecto a medio plazo no resulta significativo; 5) el decapado+acaballonado presenta mejores resultados que el escarificado durante el primer verano, aunque sólo resulta efectivo en condiciones intermedias de espesura de masa; 6) la compactación edáfica no resulta limitante para la productividad ni la persistencia de la masa considerada. ABSTRACT Seedling establishment is critical for later stand progress because it involves high mortality rates and the surviving saplings constitute the starting material for all the subsequent stages. Restrictions for Scots pine germination and seedling survival may vary greatly across its geographical range, as it is widely distributed within north latitudes. Mediterranean region is a marginal sector within this species range and its ecological conditions differ greatly from those of the bulk of the area. Mortality rates in Mediterranean environments seem to be related to summer weather (mainly drought) and high livestock stocking rather than to cold, light or flooding. Most available information on scots pine regeneration process comes from north European experiences and is not transferable to Spanish forests, whereas studies on Mediterranean region are much scarcer. The present work aims at broadening Scots pine regeneration knowledge within Mediterranean region by analyzing its establishment process in the “Cabeza de Hierro” forest: a Scots pine uneven-aged forest at blocklevel scale, exemplary managed for multi-services purpose. Germination and surviving processes are to be characterized and quantified as to vegetation cover both in trees, shrubs, grass and litter strata. Soil compaction effects on forest sustainability are also assessed and the efficacy of some site preparation techniques on regeneration success is tested and compared (scarification vs. scalping+mounding). Two sampling networks comprising respectively 198 (SN I) and 24 plots (SN II) of 1.5x1.5m have been established over a wide range of vegetal cover conditions within the forest. Soil preparation techniques have been applied only to some of the sampling points; namely, 1 out of 4 plots have been scarified within Sampling Network I , while 1 out of 2 plots have been object of scalping & mounding within Sampling Network II. After localized sowing prior to growing season, germination and surviving have been periodically sampled for either one (SN II) or three years (SN I). Supplementary measures for micrometeorological variables, stand density, ground vegetal cover and compaction have also been carried out. Results obtained for the studied forest lead to the following insights regarding Scots pine natural regeneration process within this sort of forest and environment: 1) seedling establishment success rate is quite low (0,15% of sowing seeds), due to high mortality during the first summer (>92%), following a prior 17% rate of germination over viable seeds reaching the soil; 2) mortality rate remains high until the third year after emergence and then decreases to the 50% of surviving; 3) although vegetal cover significantly affects both seedling germination and survival, lineal correlation between those two processes is rather low, which may indicate that places fit for emergence are not necessarily suitable for summer surviving; 4) soil scarification improves both germination and survival during the first growing season, but it is associated to higher mortality rates during the next two years; hence it has no significant medium term effect; 5) scalping & mounding treatment is more effective than scarification concerning establishment improving during the first summer; but its effects are only significant under intermediate stand density levels; 6) soil compaction does not restrict either forest productivity or persistence, despite the area’s long history of high livestock stocking rates and mechanized logging.