New insights into the regulation of NADPH oxidase dependent reactive oxygen species signaling during the plant immune response

Las NADPH oxidasas de plantas, denominadas “respiratory burst oxidase homologues” (RBOHs), producen especies reactivas del oxígeno (ROS) que median un amplio rango de funciones. En la célula vegetal, el ajuste preciso de la producción de ROS aporta la especificidad de señal para generar una respuesta apropiada ante las amenazas ambientales. RbohD y RbohF, dos de los diez genes Rboh de Arabidopsis, son pleiotrópicos y median diversos procesos fisiológicos en respuesta a patógenos. El control espacio-temporal de la expresión de los genes RbohD y RbohF podría ser un aspecto crítico para determinar la multiplicidad de funciones de estas oxidasas. Por ello, generamos líneas transgénicas de Arabidopsis con fusiones de los promoters de RbohD y RbohF a los genes delatores de la B-glucuronidasa y la luciferasa. Estas líneas fueron empleadas para revelar el patrón de expresión diferencial de RbohD y RbohF durante la respuesta inmune de Arabidopsis a la bacteria patógena Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000, el hongo necrótrofo Plectosphaerella cucumerina y en respuesta a señales relacionadas con la respuesta inmune. Nuestros experimentos revelan un patrón de expresión diferencial de los promotores de RbohD y RbohF durante el desarrollo de la planta y en la respuesta inmune de Arabidopsis. Además hemos puesto de manifiesto que existe una correlación entre el nivel de actividad de los promotores de RbohD y RbohF con la acumulación de ROS y el nivel de muerte celular en respuesta a patógenos. La expression de RbohD y RbohF también es modulada de manera diferencial en respuesta a patrones moleculares asociados a patógenos (PAMPs) y por ácido abscísico (ABA). Cabe destacar que, mediante una estrategia de intercambio de promotores, hemos revelado que la región promotora de RbohD, es necesaria para dirigir la producción de ROS en respuesta a P. cucumerina. Adicionalmente, la activación del promotor de RbohD en respuesta al aislado de P. cucumerina no adaptado a Arabidopsis 2127, nos llevó a realizar ensayos de susceptibilidad con el doble mutante rbohD rbohF que han revelado un papel desconocido de estas oxidasas en resistencia no-huesped. La interacción entre la señalización dependiente de las RBOHs y otros componentes de la respuesta inmune de plantas podría explicar también las distintas funciones que median estas oxidasas en relación con la respuesta inmune. Entre la gran cantidad de señales coordinadas con la actividad de las RBOHs, existen evidencias genéticas y farmacológicas que indican que las proteínas G heterotriméricas están implicadas en algunas de las rutas de señalización mediadas por ROS derivadas de los RBOHs en respuesta a señales ambientales. Por ello hemos estudiado la relación entre estas RBOH-NADPH oxidasas y AGB1, la subunidad β de las proteínas G heterotriméricas en la respuesta inmune de Arabidopsis. Análisis de epistasis indican que las proteínas G heterotriméricas están implicadas en distintas rutas de señalización en defensa mediadas por las RBOHs. Nuestros resultados ilustran la relación compleja entre la señalización mediada por las RBOHs y las proteínas G heterotriméricas, que varía en función de la interacción planta-patógeno analizada. Además, hemos explorado la posible asociación entre AGB1 con RBOHD y RBOHF en eventos tempranos de la respuesta immune. Cabe señalar que experimentos de coímmunoprecipitación apuntan a una posible asociación entre AGB1 y la kinasa citoplasmática reguladora de RBOHD, BIK1. Esto indica un posible mecanismo de control de la función de esta NADPH oxidase por AGB1. En conjunto, estos datos aportan nuevas perspectivas sobre cómo, a través del control transcripcional o mediante la interacción con las proteínas G heterotriméricas, las NADPH oxidases de plantas median la producción de ROS y la señalización por ROS en la respuesta inmune. Nuestro trabajo ejemplifica cómo la regulación diferencial de dos miembros de una familia multigénica, les permite realizar distintas funciones fisiológicas especializadas usando un mismo mecanismo enzimático. ABSTRACT The plant NADPH oxidases, termed respiratory burst oxidase homologues (RBOHs), produce reactive oxygen species (ROS) which mediate a wide range of functions. Fine tuning this ROS production provides the signaling specificity to the plant cell to produce the appropriate response to environmental threats. RbohD and RbohF, two of the ten Rboh genes present in Arabidopsis, are pleiotropic and mediate diverse physiological processes in response to pathogens. One aspect that may prove critical to determine the multiplicity of functions of RbohD and RbohF is the spatio-temporal control of their gene expression. Thus, we generated Arabidopsis transgenic lines with RbohD- and RbohF-promoter fusions to the β-glucuronidase and the luciferase reporter genes. These transgenics were employed to reveal RbohD and RbohF promoter activity during Arabidopsis immune response to the pathogenic bacterium Pseudomonas syringae pv tomato DC3000, the necrotrophic fungus Plectosphaerella cucumerina and in response to immunity-related cues. Our experiments revealed a differential expression pattern of RbohD and RbohF throughout plant development and during Arabidopsis immune response. Moreover, we observed a correlation between the level of RbohD and RbohF promoter activity, the accumulation of ROS and the amount of cell death in response to pathogens. RbohD and RbohF gene expression was also differentially modulated by pathogen associated molecular patterns and abscisic acid. Interestingly, a promoter-swap strategy revealed the requirement for the promoter region of RbohD to drive the production of ROS in response to P. cucumerina. Additionally, since the RbohD promoter was activated during Arabidopsis interaction with a non-adapted P. cucumerina isolate 2127, we performed susceptibility tests to this fungal isolate that uncovered a new role of these oxidases on non-host resistance. The interplay between RBOH-dependent signaling with other components of the plant immune response might also explain the different immunity-related functions mediated by these oxidases. Among the plethora of signals coordinated with RBOH activity, pharmacological and genetic evidence indicates that heterotrimeric G proteins are involved in some of the signaling pathways mediated by RBOH–derived ROS in response to environmental cues. Therefore, we analysed the interplay between these RBOH-NADPH oxidases and AGB1, the Arabidopsis β-subunit of heterotrimeric G proteins during Arabidopsis immune response. We carried out epistasis studies that allowed us to test the implication of AGB1 in different RBOH-mediated defense signaling pathways. Our results illustrate the complex relationship between RBOH and heterotrimeric G proteins signaling, that varies depending on the type of plant-pathogen interaction. Furthermore, we tested the potential association between AGB1 with RBOHD and RBOHF during early immunity. Interestingly, our co-immunoprecipitation experiments point towards an association of AGB1 and the RBOHD regulatory kinase BIK1, thus providing a putative mechanism in the control of the NADPH oxidase function by AGB1. Taken all together, these studies provide further insights into the role that transcriptional control or the interaction with heterotrimeric G-proteins have on RBOH-NADPH oxidase-dependent ROS production and signaling in immunity. Our work exemplifies how, through a differential regulation, two members of a multigenic family achieve specialized physiological functions using a common enzymatic mechanism.

Identificación y caracterización de la ruta mediada por la proteína G heterotrimérica de Arabidopsis thaliana en la respuesta inmune

La resistencia de las plantas a los hongos necrótrofos como Plectosphaerella cucumerina es genéticamente compleja y depende de la activación coordinada de distintas rutas de señalización (Llorente et al, 2005; Sanchez-Vallet et al, 2010). Entre éstas se encuentran las mediadas por la proteína G heterotrimérica, un complejo formado por tres subunidades (Gα, Gβ y Gγ) que regula tanto la respuesta de inmunidad a diferentes patógenos como distintos procesos de desarrollo (Temple and Jones, 2007). En esta Tesis hemos demostrado que, en Arabidopsis, el monómero funcional formado por las subunidades Gβ y Gγ1/Gγ2 es el responsable de la regulación de la respuesta de defensa, ya que mutantes nulos en estas subunidades (agb1 y agg1 agg2) presentan una alta susceptibilidad al hongo P. cucumerina. Además, hemos identificado varios aminoácidos (Q102, T188 y R235) de la proteína AGB1 esenciales en la interacción con los efectores correspondientes para la regulación de la respuesta inmune (Jiang et al, enviado). Para determinar las bases moleculares de la resistencia mediada por la proteína G heterotrimérica, llevamos a cabo un análisis transcriptómico comparativo entre los genotipos agb1 y Col-0, el cual reveló que la resistencia mediada por AGB1 no depende de rutas defensivas implicadas en la resistencia a hongos necrotrofos, como las mediadas por el ácido salicílico (SA), etileno (ET), jasmónico (JA) o ácido abscísico (ABA), o la ruta de biosíntesis de metabolitos derivados del triptófano. Este estudio mostró que un número significativo de los genes desregulados en respuesta a P. cucumerina en el genotipo agb1 respecto a las plantas silvestres codificaban proteínas con funciones relacionadas con la pared celular. La evaluación de la composición y estructura de la pared de los mutantes de las subunidades de la proteína G heterotrimérica reveló que los genotipos agb1 y agg1 agg2 presentaban alteraciones similares diferentes de las observadas en plantas silvestres Col-0, como una reducción significativa en el contenido de xilosa en la pared. Estos datos sugieren que la proteína G heterotrimérica puede modular la composición/estructura de la pared celular y contribuir, de esta manera, en la regulación de la respuesta inmune (Delgado- Cerezo et al, 2011). La caracterización del interactoma de la proteína G heterotrimérica corroboró la relevancia funcional que presenta en la regulación de la pared celular, ya que un número significativo de las interacciones identificadas estaban comprendidas por proteínas relacionadas directa o indirectamente con la biogénesis y remodelación de la pared celular (Klopffleisch et al, 2011). El papel en inmunidad de algunos de estos potenciales efectores ha sido validado mediante el análisis de la resistencia a P. cucumerina de los mutantes de pérdida de función correspondientes. Con el objetivo de caracterizar las rutas de señalización mediadas por AGB1 e identificar efectores implicados en esta señalización, llevamos a cabo una búsqueda de mutantes supresores de la susceptibilidad de agb1 a P. cucumerina, identificándose varios mutantes sgb (supressor of Gbeta). En esta Tesis hemos caracterizado en detalle el mutante sgb10, que presenta una activación constitutiva de las rutas de señalización mediadas por SA y JA+ET y suprime el fenotipo de susceptibilidad de agb1. SGB10 y AGB1 forman parte de rutas independientes en la regulación de la respuesta inmune, mientras que interaccionan de forma compleja en el control de determinados procesos de desarrollo. La mutación sgb10 ha sido cartografiada entre los genes At3g55010 y At3g56408, que incluye una región con 160 genes. ABSTRACT Plant resistance to necrotrophic fungi Plectosphaerella cucumerina is genetically complex and depends on the interplay of different signalling pathways (Llorente et al, 2005; Sanchez-Vallet et al, 2010). Among others, the heterotrimeric G protein complex has a relevant role. The G protein that is formed by three subunits (Gα, Gβ and Gγ) is a pleiotropic regulator of immune responses to different types of pathogens and developmental issues (Temple and Jones, 2007). Throughout the Thesis, we have demonstrated that Arabidopsis’ functional monomer formed by the Gβ and Gγ1/Gγ2 subunits is a key regulator of defense response, as null mutants (agb1 and agg1 agg2) are equally hypersusceptible to P. cucumerina infection. In addition we have identified several AGB1 aminoacids (Q102, T188 y R235) essentials to interact with specific effectors during the regulation of immune response (Jiang et al, sent).To determine the molecular basis of heterotrimeric G protein mediated resistance we have performed a microarray analysis with agb1-1 and wild type Col-0 plants before and after P. cucumerina challenge. A deep and exhaustive comparative transcriptomical analysis of these plants revealed that AGB1 mediated resistance does not rely on salicilic acid (SA), ethylene (ET), jasmonates (JA), abscisic acid (ABA) or triptophan derived metabolites biosynthesis. However the analysis revealed that a significant number of cell wall related genes are misregulated in the agb1 mutant after pathogen challenge when compared to wild-type plants. The analysis of cell wall composition and structure showed similar cell wall alterations between agb1 and agg1 agg2 mutants that are different from those of wild-type plants, so far the mutants present a significant reduction in xylose levels. All these results suggest that heterotrimeric G protein may regulate immune response through modifications in the cell wall composition/structure (Delgado-Cerezo et al, 2011). The characterization of Heterotrimeric G protein interactome revealed highly connected interactions between the G-protein core and proteins involved in cell wall composition or structure (Klopffleisch et al, 2011). To test the role in immunity of several effectors identified above, we have performed resistance analysis of corresponding null mutants against P. cucumerina. In order to characterize AGB1 mediated signalling pathway and identify additional effectors involved in AGB1-mediated immune response against P. cucumerina, we have performed a screening to isolate mutants with suppression of agb1 phenotype. One of the mutants, named sgb10, has been characterized during the Thesis. The mutant shows constitutive expression of SA, JA+ET-mediated defense signaling pathways to suppres agb1 hypersusceptibility. SGB10 and AGB1 proteins seem to be part of independent pathways in immunity, however its function during development remains unclear. At present, we have mapped the sgb10 mutation between At3g55010 and At3g56408 genes. This region contains 160 genes.

Caracterización funcional de los genes sgb (suppressors of agb1-2 susceptibility to pathogens): Nuevos reguladores de la respuesta de inmunidad innata de Arabidopsis thaliana

Un porcentaje importante de las pérdidas de la producción agrícola se deben a las enfermedades que causan en los cultivos los hongos necrótrofos y vasculares. Para mejorar la productividad agrícola es necesario tener un conocimiento detallado de las bases genéticas y moleculares que regulan la resistencia de las plantas a este tipo de patógenos. En Arabidopsis thaliana la resistencia frente a patógenos necrótrofos, como el hongo Plectosphaerella cucumerina BMM (PcBMM), es genéticamente compleja y depende de la activación coordinada de distintas rutas de señalización, como las reguladas por las hormonas ácido salicílico (SA), ácido jasmónico (JA), etileno (ET) y ácido abscísico (ABA), así como de la síntesis de compuestos antimicrobianos derivados del Triptófano y de la integridad de la pared celular (Llorente et al., 2005, Hernández-Blanco et al., 2007; Delgado-Cerezo et al., 2012). Uno de los componentes claves en la regulación de la resistencia de las plantas a patógenos (incluidos hongos necrótrofos y biótrofos) es la proteína G heterotrimérica, un complejo proteico formado por tres subunidades (Gα, Gβ y Gγ), que también regula distintos procesos del desarrollo vegetal. En Arabidopsis hay un gen que codifica para la subunidad α (GPA1), otro para la β (AGB1), y tres genes para la subunidad γ (AGG1, AGG2 y AGG3). El complejo GPA1-AGB1-AGG (1-3) se activa y disocia tras la percepción de una señal específica, actuando el dímero AGB1-AGG1/2 como un monómero funcional que regula las respuestas de defensa (Delgado-Cerezo et al., 2012). Estudios transcriptómicos y análisis bioquímicos de la pared celular en los que se comparaban los mutantes agb1-2 y agg1 agg2, y plantas silvestres (Col-0) revelaron que la resistencia mediada por Gβ-Gγ1/2 no es dependiente de rutas de defensa previamente caracterizadas, y sugieren que la proteína G podría modular la composición/estructura (integridad) de la pared celular (Delgado-Cerezo et al., 2012). Recientemente, se ha demostrado que AGB1 es un componente fundamental de la respuesta inmune mediada por Pathogen- Associated Molecular Patterns (PTI), ya que los mutantes agb1-2 son incapaces de activar tras el tratamiento con PAMPs respuestas de inmunidad, como la producción de especies reactivas de oxígeno (ROS; Liu et al., 2013). Dada la importancia de la proteína G heterotrimérica en la regulación de la respuestas de defensa (incluida la PTI) realizamos un escrutinio de mutantes supresores de la susceptibilidad de agb1-2 al hongo necrótrofo, PcBMM, para identificar componentes adicionales de las rutas de señalización reguladas por AGB1. En este escrutinio se aislaron cuatro mutantes sgb (suppressors of agb1-2 susceptibility to pathogens), dos de los cuales, sgb10 y sgb11, se han caracterizado en la presente Tesis Doctoral. El mutante sgb10 es un segundo alelo nulo del gen MKP1 (At3g55270) que codifica la MAP quinasa-fosfatasa 1 (Bartels et al., 2009). Este mutante presenta lesiones espontáneas en plantas adultas y una activación constitutiva de las principales rutas de defensa (SA, JA y ET, y de metabolitos secundarios, como la camalexina), que explicaría su elevada resistencia a PcBMM y Pseudomonas syringae. Estudios epistáticos sugieren que la resistencia mediada por SGB10 no es dependiente, si no complementaria a la regulada por AGB1. El mutante sgb10 es capaz de restablecer en agb1-2 la producción de ROS y otras respuestas PTI (fosforilación de las MAPK6/3/4/11) tras el tratamiento con PAMPs tan diversos como flg22, elf18 y quitina, lo que demuestra el papel relevante de SGB10/MKP1 y de AGB1 en PTI. El mutante sgb11 se caracteriza por presentar un fenotipo similar a los mutantes irregular xylem (e.g. irx1) afectado en pared celular secundaria: irregularidades en las células xilemáticas, reducción en el tamaño de la roseta y altura de planta, y hojas con un mayor contenido de clorofila. La resistencia de sgb11 a PcBMM es independiente de agb1-2, ya que la susceptibilidad del doble mutante sgb11 agb1-2 es intermedia entre la de agb1-2 y sgb11. El mutante sgb11 no revierte la deficiente PTI de agb1-2 tras el tratamiento con flg22, lo que indica que está alterado en una ruta distinta de la regulada por SGB10. sgb11 presenta una sobreactivación de la ruta del ácido abscísico (ABA), lo que podría explicar su resistencia a PcBMM. La mutación sgb11 ha sido cartografiada en el cromosoma III de Arabidopsis entre los marcadores AthFUS6 (81,64cM) y nga6 (86,41cM) en un intervalo de aproximadamente 200 kb, que comprende genes, entre los que no se encuentra ninguno previamente descrito como IRX. El aislamiento y caracterización de SGB11 apoya la relevancia de la proteína G heterotrimérica en la regulación de la interconexión entre integridad de la pared celular e inmunidad. ABSTRACT A significant percentage of agricultural losses are due to diseases caused by necrotrophic and vascular fungi. To enhance crop yields is necessary to have a detailed knowledge of the genetic and molecular bases regulating plant resistance to these pathogens. Arabidopsis thaliana resistance to necrotrophic pathogens, such as Plectosphaerella cucumerina BMM (PcBMM) fungus, is genetically complex and depends on the coordinated activation of various signaling pathways. These include those regulated by salicylic acid (SA), jasmonic acid (JA), ethylene (ET) and abscisic acid (ABA) hormones and the synthesis of tryptophan-derived antimicrobial compounds and cell wall integrity (Llorente et al., 2005, Hernández-Blanco et al., 2007; Delgado-Cerezo et al., 2012). One key component in the regulation of plant resistance to pathogens (including biotrophic and necrotrophic fungi) is the heterotrimeric G-protein. This protein complex is formed by three subunits (Gα, Gβ and Gγ), which also regulates various plant developmental processes. In Arabidopsis only one gene encodes for subunits α (GPA1) and β (AGB1), and three genes for subunit γ (AGG1, AGG2 y AGG3). The complex GPA1- AGB1-AGG(1-3) is activated and dissociates after perception of an specific signal, AGB1- AGG1/2 acts as a functional monomer regulating defense responses (Delgado-Cerezo et al., 2012). Comparative transcriptomic studies and biochemical analyses of the cell wall of agb1-2 and agg1agg2 mutant and wild plants (Col-0), showed that Gβ-Gγ1/2-mediated resistance is not dependent on previously characterized defense pathways. In addition, it suggests that G protein may modulate the composition/structure (integrity) of the plant cell wall (Delgado-Cerezo et al., 2012). Recently, it has been shown that AGB1 is a critical component of the immune response mediated by Pathogen-Associated Molecular Patterns (PTI), as agb1-2 mutants are unable to activate immune responses such as oxygen reactive species (ROS) production after PAMPs treatment (Liu et al., 2013). Considering the importance of the heterotrimeric G protein in regulation of defense responses (including PTI), we performed a screening for suppressors of agb1-2 susceptibility to the necrotrophic fungus PcBMM. This would allow the identification of additional components of the signaling pathways regulated by AGB1. In this search four sgb mutants (suppressors of agb1-2 susceptibility to pathogens) were isolated, two of which, sgb10 and sgb11, have been characterized in this PhD thesis. sgb10 mutant is a second null allele of MKP1 gene (At3g55270), which encodes the MAP kinase-phosphatase 1 (Bartels et al., 2009). This mutant exhibits spontaneous lesions in adult plants and a constitutive activation of the main defense pathways (SA, JA and ET, and secondary metabolites, such as camalexin), which explains its high resistance to Pseudomonas syringae and PcBMM. Epistatic studies suggest that SGB10- mediated resistance is not dependent, but complementary to the regulated by AGB1. The sgb10 mutant is able to restore agb1-2 ROS production and other PTI responses (MAPK6/3/4/11 phosphorylation) upon treatment with PAMPs as diverse as, flg22, elf18 and chitin, demonstrating the relevant role of SGB10/MKP1 and AGB1 in PTI. sgb11 mutant is characterized by showing a similar phenotype to irregular xylem mutants (e.g. irx1), affected in secondary cell wall: irregular xylems cells, rosette size reduction and plant height, and higher chlorophyll content on leaves. The resistance of sgb11 to PcBMM is independent of agb1-2, as susceptibility of the double mutant agb1-2sgb11 is intermediate between agb1-2 and sgb11. The sgb11 mutant does not revert the deficient PTI response in agb1-2 after flg22 treatment, indicating that is altered in a pathway different to the one regulated by SGB10. sgb11 presents an over-activation of the abscisic acid pathway (ABA), which could explain its resistance to PcBMM. The sgb11 mutation has been mapped on chromosome III of Arabidopsis, between AthFUS6 (81.64 cM) and nga6 (86.41 cM) markers, in 200 kb interval, which does not include previously known IRX genes. The isolation and characterization of SGB11 supports the importance of heterotrimeric G protein in the regulation of the interconnection between the cell wall integrity and immunity.