Expresión de la resistencia en plantas de tomate a nematodos formadores de nódulos (Meloidogyne javanica)

La resistencia genética mediada por los genes R es uno de los sistemas de defensa de las plantas frente a patógenos y se activa una vez que los patógenos han superado la defensa basal que otorgan la cutícula y pared celular. Los mecanismos de resistencia genética se inician a su vez, por el reconocimiento de productos derivados de genes de avirulencia de los patógenos (avr) por parte de las proteínas R. Tanto la respuesta de defensa basal como la respuesta de defensa por genes R están influenciadas por patrones de regulación hormonal, que incluye a las principales hormonas vegetales ácido salicílico (SA), ácido jasmónico (JA) y etileno (ET). En tomate (Solanum lycopersicum) uno de los genes R es el gen MiG1, que confiere resistencia a nematodos formadores de nódulos (Meloidogyne javanica, M. incognita y M. arenaria). Uno de los eventos más importantes que caracterizan a la respuesta de resistencia es la reacción hipersensible (HR), que está mediada por la activación temprana de una serie de sistemas enzimáticos, entre los que destaca el de las peroxidasas (PRXs) Clase III. Su función es importante tanto para limitar el establecimiento y expansión del nematodo, al generar ambientes altamente tóxicos por su contribución en la producción masiva de ROS, como por su implicación en la síntesis y depósito de lignina generando barreras estructurales en el sitio de infección. Además de estos mecanismos de defensa asociados a la resistencia constitutiva, las plantas pueden desarrollar resistencia sistémica adquirida (SAR) que en la naturaleza ocurre, en ocasiones, en una fase posterior a que la planta haya sufrido el ataque de un patógeno. Así mismo hay diferentes productos de origen químico como el benzotiadiazol o BTH (ácido S-metil benzol-(1,2,3)-tiadiozole-7-carbónico ester) que pueden generar esta misma respuesta SAR. Como resultado, la planta adquiere resistencia sistémica frente a nuevos ataques de patógenos. En este contexto, el presente trabajo aborda en primer lugar el análisis comparativo, mediante microarrays de oligonucleótidos, de los transcriptomas de los sistemas radicales de plantas de tomate de 8 semanas de edad de dos variedades, una portadora del gen de resistencia MiG1 (Motelle) y otra carente del mismo y, por tanto, susceptible (Moneymaker), antes y después de la infección por M. javanica. Previo a la infección se observó que la expresión de un gran número de transcritos era más acusada en la variedad resistente que en la susceptible, entre ellos el propio gen MiG1 o los genes PrG1 (o P4), LEJA1 y ER24, lo que indica que, en ausencia de infección, las rutas hormonales del SA, JA y ET están más activas en la raíz de la variedad resistente. Por el contrario, un número mucho menor de transcritos presentaban su expresión más reducida en Motelle que en Moneymaker, destacando un gen de señalización para sintetizar la hormona giberelina (GA). La infección por M. javanica causa importantes cambios transcripcionales en todo el sistema radical que modifican sustancialmente las diferencias basales entre plantas Motelle y Moneymaker, incluida la sobreexpresión en la variedad resistente de los transcritos de MiG1, que se reduce parcialmente, mientras que las rutas hormonales del SA y el JA continuan más activas que en la susceptible (evidente por los genes PrG1 y LEJA1). Además, los cambios asociados a la infección del nematodo se evidencian por las grandes diferencias entre los dos tiempos post-infección considerados, de tal forma que en la fase temprana (2 dpi) de la interacción compatible predomina la sobreexpresión de genes de pared celular y en la tardía (12 dpi) los relacionados con el ARN. En el análisis de la interacción incompatible, aunque también hay muchas diferencias entre ambas fases, hay que destacar la expresión diferencial común de los genes loxA y mcpi (sobrexpresados) y del gen loxD (reprimido) por su implicación en defensa en otras interacciones planta-patógeno. Cabe destacar que entre las interacciones compatible e incompatible hubo muy pocos genes en común. En la etapa temprana de la interacción compatible destacó la activación de genes de pared celular y la represión de la señalización; en cambio, en la interacción incompatible hubo proteínas principalmente implicadas en defensa. A los 12 días, en la interacción compatible los genes relacionados con el ARN y la pared celular se sobreexpresaban principalmente, y se reprimían los de proteínas y transporte, mientras que en la incompatible se sobreexpresaron los relacionados con el estrés, el metabolismo secundario y el de hormonas y se reprimieron los de ARN, señalización, metabolismo de hormonas y proteínas. Por otra parte, la técnica de silenciamiento génico VIGS reveló que el gen TGA 1a está implicado en la resistencia mediada por el gen MiG1a M. javanica. Así mismo se evaluó el transcriptoma de todo el sistema radical de la variedad susceptible tras la aplicación del inductor BTH, y se comparó con el transcriptoma de la resistente. Los resultados obtenidos revelan que el tratamiento con BTH en hojas de Moneymaker ejerce notables cambios transcripcionales en la raíz; entre otros, la activación de factores de transcripción Myb (THM16 y THM 27) y del gen ACC oxidasa. Las respuestas inducidas por el BTH parecen ser de corta duración ya que no hubo transcritos diferenciales comunes a las dos fases temporales de la infección comparadas (2 y 12 dpi). El transcriptoma de Moneymaker tratada con BTH resultó ser muy diferente al de la variedad resistente Motelle, ambas sin infectar, destacando la mayor expresión en el primero del gen LeEXP2, una expansina relacionada con defensa frente a nematodos. Las respuestas inducidas por los nematodos en Moneymaker-BTH también fueron muy distintas a las observadas previamente en la interacción incompatible mediada por MiG1, pues sólo se detectaron 2 genes sobreexpresados comunes a ambos eventos. Finalmente, se abordó el estudio de la expresión diferencial de genes que codifican PRXs y su relación con la resistencia en la interacción tomate/M. javanica. Para ello, se realizó en primer lugar el estudio del análisis del transcriptoma de tomate de la interacción compatible, obtenido en un estudio previo a partir de tejido radical infectado en distintos tiempos de infección. Se han identificado 16 unigenes de PRXs con expresión diferencial de los cuales 15 se relacionan por primera vez con la respuesta a la infección de nematodos. La mayoría de los genes de PRXs identificados, 11, aparecen fuertemente reprimidos en el sitio de alimentación, en las células gigantes (CG). Dada la implicación directa de las PRXs en la activación del mecanismo de producción de ROS, la supresión de la expresión génica local de genes de PRXs en el sitio de establecimiento y alimentación pone de manifiesto la capacidad del nematodo para modular y superar la respuesta de defensa de la planta de tomate en la interacción compatible. Posteriormente, de estos genes identificados se han elegido 4: SGN-U143455, SGN-U143841 y SGN-U144042 reprimidos en el sitio de infección y SGN-U144671 inducido, cuyos cambios de expresión se han determinado mediante análisis por qRT-PCR y de hibridación in situ en dos tiempos de infección (2 dpi y 4 dpi) y en distintos tejidos radicales de tomate resistente y susceptible. Los patrones de expresión obtenidos demuestran que en la interacción incompatible la transcripción global de los 4 genes estudiados se dispara en la etapa más temprana en el sitio de infección, detectándose la localización in situ de transcritos en el citoplasma de las células corticales de la zona meristemática afectadas por el nematodo. A 4 dpi se observó que los niveles de expresión en el sitio de infección cambian de tendencia y los genes SGN-U144671 y SGN-U144042 se reprimen significativamente. Los diferentes perfiles de expresión de los genes PRXs en los dos tiempos de infección sugieren que su inducción en las primeras 48 horas es crucial para la respuesta de defensa relacionada con la resistencia frente a la invasión del nematodo. Por último, al analizar el tejido radical sistémico, se detectó una inducción significativa de la expresión en la fase más tardía de la infección del gen SGN-U144042 en el genotipo susceptible y del SGN-U143841 en ambos genotipos. En este estudio se describe por primera vez la inducción de la expresión sistémica de genes de PRXs en tomate durante la interacción compatible e incompatible con M. javanica lo que sugiere su posible implicación funcional en la respuesta de defensa SAR activada por la infección previa del nematodo. ABSTRACT Plants defend themselves from pathogens by constitutive and/or induced defenses. A common type of induced defense involves plant resistance genes (R), which are normally activated in response to attack by specific pathogen species. Typically, a specific plant R protein recognizes a specific pathogen avirulence (avr) compound. This initiates a complex biochemical cascade inside the plant that results in synthesis of antipathogen compounds. This response can involve chemical signaling, transcription, translation, enzymes and metabolism, and numerous plant hormones such as salicylic acid (SA), jasmonates (JA) and ethylene (ET). Induced plant defense can also activate Class III peroxidases (PRXs), which produce reactive oxygen species (ROS), regulate extracellular H2O2, and play additional roles in plant defense. R-gene activation and the resulting induced defense often remain localized in the specific tissues invaded by the plant pathogen. In other cases, the plant responds by signaling the entire plant to produce defense compounds (systemic induction). Plant defense can also be induced by the exogenous application of natural or synthetic elicitors, such as benzol-(1,2,3)-thiadiazole-7-carbothionic acid. There is much current scientific interest in R-genes and elicitors, because they might be manipulated to increase agricultural yield. Scientists also are interested in systemic induction, because this allows the entire plant to be defended. In this context, one of the aims of this investigation was the transcriptoma analysis of the root systems of two varieties of tomato, the resistant variety (Motelle) that carrier MiG1 and the susceptible (Moneymaker) without MiG1, before and after infection with M. javanica. The overexpression was more pronounced in the transcriptoma of the resistant variety compared with susceptible, before infection, including the MiG1 gene, PrG1 (or P4) genes, LEJA1 and ER24, indicating that hormone SA, JA and ET are active in the resistant variety. Moreover, GA hormone presents an opposite behavior. M. javanica infection causes significant transcriptional changes in both compatible (Moneymaker-M. javanica) and incompatible (Motelle-M. javanica) interaction. In the incompatible transcriptome root system, was notably reduced the expression of the MiG1 gene, and a continuity in the expression of the hormonal pathways of SA and JA. In other hand, transcriptional profile changes during compatible interaction were associated with nematode infection. The large differences between the two times point infection considered (2 dpi and 12 dpi) indicates an overexpression of cell wall related genes in the first phase, and conversely an overexpression of RNA genes in the late phase. Transcriptoma analysis of incompatible interaction, although there were differences between the two phases, should be highlighted the common differential gene expression: loxA and mcpi (overexpressed) and loxD gene (suppressed), as they are involved in defenses in other plant-pathogen interactions. The VIGS tool has provided evidence that TGA 1a is involved in MiG1 mediated resistance to M. javanica. Likewise, the systemic application of BTH was assessed and compared with susceptible and resistant variety. Root system transcriptoma of BTH treatment on leaves showed the activation of Myb transcription factors (THM16 and THM27), the ACC oxidase gene. and the LeEXP2 gene, encoding for an expansin enzyme, related with defense against nematodes. The activation appears to be reduced by subsequent infection and establishment of nematodes. To assist in elucidate the role of tomato PRXs in plant defence against M. javanica, the transcriptome obtained previously from isolated giant cells (GC) and galls at 3 and 7 dpi from the compatible interaction was analysed. A total of 18 different probes corresponding to 16 PRX encoding genes were differentially expressed in infection site compared to the control uninfected root tissues. Most part of them (11) was down-regulated. These results yielded a first insight on 15 of the PRX genes responding to tomato–Meloidogyne interaction and confirm that repression of PRX genes might be crucial for feeding site formation at the initial stages of infection. To study the involvement of PRX genes in resistance response, four genes have been selected: SGN-U143455, SGN-U143841 and SGN-U144042 consistently down-regulated and SGN-U144671 consistently up-regulated at infection site in compatible interaction. The expression changes were determined by qRT-PCR and in situ location at 2 dpi and 4 dpi, and in different root tissues of resistant and susceptible plants. Early upon infection (2 dpi), the transcripts levels of the four genes were strongly increased in infected tissue of resistant genotype. In situ hybridization showed transcript accumulation of them in meristem cortical cells, where the nematode made injury. The results obtained provide strong evidence that early induction of PRX genes is important for defence response of the resistance against nematode invasion. Moreover, the induction patterns of SGN-U144042 gene observed at 4 dpi in distal noninfected root tissue into the susceptible genotype and of SGN-U143841 gene in both genotypes suggest a potential involvement of PRX in the systemic defence response.

El injerto en pepino corto tipo español (Cucumis sativus L.) recomencaciones para su empleo en la zona central española

El injerto en hortalizas es uno de los temas de más actualidad en el panorama hortícola, no solo español, sino occidental, y recalcamos occidental, pues en muchos países que no corresponden a ese ámbito, sobre todo asiáticos: Japón, Corea, China, Filipinas, etc., esta es una técnica que cuenta con una gran difusión desde hace décadas, siendo, por ejemplo en Japón, la mayoría de sus cultivos de cucurbitáceas y solanáceas realizados con planta injertada. A finales de los noventa quedó claro que el empleo de bromuro de metilo tenía una fecha de caducidad y que las zonas que tenían una fuerte dependencia de este desinfectante de suelo debían de buscar alternativas a un plazo lo más corto posible, con un punto añadido sobre etapas anteriores, debían ser alternativas lo más respetuosas posible con el medio ambiente y que no incrementaran, de forma importante, los costes de producción. En la zona centro y concretamente en los invernaderos de la Comunidad de Madrid y zonas cercanas de Toledo y Guadalajara el pepino era y es el cultivo predominante, los horticultores empleaban el bromuro de metilo de forma sistemática para desinfectar sus suelos y la desaparición de este producto les planteaba una gran incertidumbre, lo que llevó a que desde diferentes instancias se buscaran diferentes alternativas. Tras analizar las posibilidades que se podían implementar y conocido el buen resultado que había dado el injerto en sandía en Almería, se decidió acometer los trabajos que conforman esta Tesis Doctoral, planteando en la zona, diferentes ensayos con la idea de conocer, si el injerto en pepino, con los cultivares empleados habitualmente, podía ser una alternativa real para los horticultores, tanto de Madrid, como los de las zonas cercanas de Toledo y Guadalajara. Se pretendía conocer sobre todo las repercusiones agronómicas y si esta técnica podría emplearse en solitario o era necesario complementarla con otras alternativas: desinfectantes químicos, solarización, biofumigación e incluso desinfección con vapor de agua. Los ensayos fueron realizados de forma secuencial entre el año 1999 y el 2011, comprobándose en primer lugar que el empleo de portainjertos híbridos de calabaza era posible con los cultivares de pepino corto tipo español, mayoritariamente empleados en los últimos años del siglo XX y primeros del XXI, fundamentalmente: Serena. Tras los primeros ensayos, Shintoza parecía el portainjerto híbrido de calabaza (Cucurbita maxima x C. moschata) con mejores perspectivas de empleo, pues presentaba la ventaja adicional de ser bien conocido por los semilleros que producen planta injertada al ser, en esos momentos, el portainjerto más empleado en sandía, lo que garantizaba por su lado, su empleo en pepino, y que los horticultores pudiesen disponer de planta injertada. Más adelante los trabajos se encaminaron hacia la determinación de la densidad y tipo de poda más adecuado para la planta injertada, realizándose múltiples ensayos en esta dirección, que culminaron con la conclusión de que el extravigor que los portainjertos conferían a las plantas permitía conducir estas a dos o más brazos (se suelen emplear dos, por mejor adaptación a los trabajos de manejo de la planta por parte de los agricultores), con lo que se podría disminuir la densidad de planta y por tanto ahorrar en este capítulo, cosa que preocupaba y preocupa a los agricultores. Se llegó a determinar que es posible reducir la densidad de plantación en alrededor de un 25%, estando la densidad de brazos más adecuada entre 3 y 3.5 br•m-2. Tras las primeras decisiones tomadas sobre el portainjerto y la densidad más adecuada, se continuó con el estudio de adaptación de estas propuestas a los nuevos cultivares que las empresas de semillas iban proponiendo y los agricultores adoptando. Estas acciones se complementaron con la introducción de nuevos portainjertos susceptibles de sustituir a Shintoza o rotar con él para cambiar de sistema radicular, lo que es conveniente cuando se emplean, como es el caso, portainjertos que no son resistentes a nematodos, principalmente de la especie Meloidogyne incognita, el mayor problema en la zona, debido al suelo. Cultivares como Trópico, en un primer momento, y Urano y Motril más recientemente, se adaptaron muy bien a esta técnica. Entre los portainjertos que mostraron buena adaptación a la técnica de injerto y suficientemente buena compatibilidad con la mayoría de los cultivares ensayados destacan: RS-841, Strongtosa y Camel. Azman también mostró un comportamiento relevante, pero este portainjerto no podrá ser empleado, al ser recientemente retirado del mercado por la empresa que lo obtuvo y comercializó Aunque no era el objetivo principal de esta Tesis Doctoral, se ha comprobado que puede ser interesante combinar el empleo del injerto con otras técnicas alternativas al bromuro de metilo para superar los problemas debidos a enfermedades del suelo o nematodos, pero debe seguirse trabajando pues este es un tema en continua evolución, tanto si se trata de desinfectantes, a la mayoría de los cuales les está siendo retirado el permiso para su comercialización, como de otros métodos como la biofumigación o el empleo de vapor de agua. Queda muy claro que el injerto puede considerarse entre los métodos respetuosos con el medio ambiente, si no el que más, en lo que alternativas al bromuro de metilo se refiere. También en otro momento, se comprobó que con plantas injertadas es posible reducir el aporte de nutrientes, sobre todo nitrógeno, lo que además de un ahorro supone una mejora más desde el punto de vista medioambiental. En definitiva, queda demostrado que es factible el empleo del injerto en pepino corto tipo español, que las selecciones de los híbridos entre Cucurbita maxima y C. moschata que habitualmente se están empleando en sandía son también de aplicación en estos pepinos y que su empleo puede llevarnos a producciones suficientemente remuneradoras, alargándose en muchos casos el ciclo y no modificando, de forma apreciable, la calidad. Queda también demostrado que aunque los portainjertos no sean resistentes a nematodos, su extravigor les hace desarrollarse, desde el punto de vista productivo, suficientemente, llegando por tanto, a “convivir” con ese problema. Al no ser resistentes los portainjertos, y permanecer e incluso agravarse el problema de nematodos es conveniente poder contar con diferentes portainjertos que nos permitan rotar entre ellos y utilizar diferentes sistemas radiculares que harán menos fácil el parasitismo de los nematodos, como recomiendan los nematólogos que se haga. ABSTRACT Vegetable grafting is one of the most current practices in horticulture, not only in Spain, but also in other Western and Asian countries, such as Japan, South Korea, China, the Philippines, etc. This is a decades-old, widespread technique: In fact, most cucurbit and solanaceous crops in Japan and Korea are grafted. At the end of the 1990s, it was clear that methyl bromide had an expiry date. Consequently, the areas strongly dependant on this soil disinfectant had to look for alternatives as quickly as possible. Besides, these had to be as environmentally friendly as possible and should not increase production costs significantly. The cucumber has been and still is the most important crop in greenhouses of the Comunidad de Madrid and in areas near Toledo and Guadalajara. Cucumber growers used methyl bromide systematically to disinfect the soil. The banning of this chemical product brought about uncertainty, which encouraged the search for different alternatives. After analyzing the different possibilities and taking into account the good results of watermelon grafting in Almería, it was decided to carry out the works that make up this doctoral thesis. Different trials were made in order to know if the cultivars used in cucumber grafting might be a real alternative for farmers, not only in Madrid, but also in the areas near Toledo and Guadalajara. The main aim was to assess the agronomic repercussions and whether that technique could be used alone, or if other complementary alternatives, such as chemical disinfectants, solarisation, biofumigation, or even steam disinfection, were necessary. Trials were carried out sequentially from 1999 to 2011. It was observed that the use of pumpkin hybrid rootstocks could be applied to cultivars of Spanish short cucumbers, mainly grown in the late 20th and early 21st centuries eg Serena. After the early trials, Shintoza (Cucurbita maxima x C. moschata), a pumpkin hybrid rootstock, seemed to be the best option, as it had the additional advantage of being well known by nurseries growing grafting plants. Bearing this in mind, Shintoza was then the hybrid rootstock to be used in cucumbers and consequently growers could have grafted plants at their disposal. Later on, research was focused on density and the most adequate type of pruning, by carrying out several trials. These experiments showed that, the extra vigour the rootstocks gave to the plants, allowed them to have two or three stems, (normally nurserymen use two, as it is easier for them to manage the plants). These findings would lead to the lessening the density of the plant and thus reduce costs, something which worried and still worries farmers. It was stated that it would be possible to reduce the density of the plants by about 25%, the optimum density of the stems ranging from 3 to 3.5 stem-m-2. Once decisions were taken both on the rootstock and the appropriate density, we went on to study how to apply these proposals to the new cultivars which the seed companies were proposing and the farmers were applying. These measures were complemented with the introduction of new rootstocks capable of replacing Shintoza, or rotating with it in order to change the root system. This is particularly necessary when rootstocks, non-resistant to nematodes, mainly of the species Meloidogyne incognita, are used. This is the main problem due to the soil of that area. Cultivars such as Trópico, at first, and Urano and Motril, more recently, adapted quite well to this technique. Among the rootstocks which adapted well to grafting and which were compatible with most tested cultivars, were, in particular, RS-841 Strongtosa and Camel. The behaviour of Azman was worth studying, but this rootstock was removed from the market by the company which had bought and commercialized it. Although not the main purpose of the research, it was observed that combining grafting with other alternatives to methyl bromide in order to overcome problems due to soil diseases or nematodes may be worthwhile. However, further research is needed, as this topic is in constant evolution, not only when we come to disinfectants, most of which are being affected by the removal of the permit for commercialization, but also when we refer to other techniques such as biofumigation or the use of steam. Results also showed that grafted plants may reduce the amount of fertilizers, particularly nitrogen, used: This means both saving money and the protection of the environment. We may conclude by saying that grafting Spanish short cucumbers is feasible, that the selections of the hybrids between Cucurbita maxima and C. moschata, habitually used in watermelon grafting, can also be applied to these cucumbers. It can also be concluded that the use of these grafting techniques may lead to profitable yields, by lengthening the growing cycle in many cases and by maintaining the quality to a large extent. Although these rootstocks are not resistant to nematodes, the results showed that their extra vigour enables them to develop in terms of production, and thus they cope with this problem. Since these rootstocks are not resistant to nematodes and the problem with these nematodes may even worsen, it is recommended that different types of rootstocks should be available to enable both the rotation and the use of different root systems, which will encourage the parasitism of nematodes.