Análisis genómico y funcional de los sistemas de Quorum Sensing en Rhizobium leguminosarum

Rhizobium leguminosarum (Rl) es una alfa-proteobacteria capaz de establecer una simbiosis diazotrófica con distintas leguminosas. A pesar de la importancia de esta simbiosis en el balance global del ciclo del nitrógeno, muy pocos genomas de rhizobios han sido secuenciados, que aporten nuevos conocimientos relacionados con las características genéticas que contribuyen a importantes procesos simbióticos. Únicamente tres secuencias completas de Rl han sido publicadas: Rl bv. viciae 3841 y dos genomas de Rl bv. trifolii (WSM1325 y WSM2304), ambos simbiontes de trébol. La secuencia genómica de Rlv UPM791 se ha determinado por medio de secuenciación 454. Este genoma tiene un tamaño aproximado de 7.8 Mb, organizado en un cromosoma y 5 replicones extracromosómicos, que incluyen un plásmido simbiótico de 405 kb. Este nuevo genoma se ha analizado en relación a las funciones simbióticas y adaptativas en comparación con los genomas completos de Rlv 3841 y Rl bv. trifolii WSM1325 y WSM2304. Mientras que los plásmidos pUPM791a y b se encuentran conservados, el plásmido simbiótico pUPM791c exhibe un grado de conservación muy bajo comparado con aquellos descritos en las otras cepas de Rl. Uno de los factores implicados en el establecimiento de la simbiosis es el sistema de comunicación intercelular conocido como Quorum Sensing (QS). El análisis del genoma de Rlv UPM791 ha permitido la identificación de dos sistemas tipo LuxRI mediados por señales de tipo N-acyl-homoserina lactonas (AHLs). El análisis mediante HPLC-MS ha permitido asociar las señales C6-HSL, C7-HSL y C8-HSL al sistema rhiRI, codificado en el plásmido simbiótico; mientras que el sistema cinRI, localizado en el cromosoma, produce 3OH-C14:1-HSL. Se ha identificado una tercera sintasa (TraI) codificada en el plásmido simbiótico, pero su regulador correspondiente se encuentra truncado debido a un salto de fase. Adicionalmente, se han encontrado tres reguladores de tipo LuxR-orphan que no presentan una sintasa LuxI asociada. El efecto potencial de las señales tipo AHL se ha estudiado mediante una estrategia de quorum quenching, la cual interfiere con los sistemas de QS de la bacteria. Esta estrategia está basada en la introducción del gen aiiA de Bacillus subtilis, que expresa constitutivamente una enzima lactonasa degradadora de AHLs. Para llevar a cabo el análisis en condiciones simbióticas, se ha desarrollado un sistema de doble marcaje que permite la identificación basado en los marcadores gusA y celB, que codifican para una enzima β–glucuronidasa y una β–galactosidasa termoestable, respectivamente. Los resultados obtenidos indican que Rlv UPM791 predomina sobre la cepa Rlv 3841 para la formación de nódulos en plantas de guisante. La baja estabilidad del plásmido que codifica para aiiA, no ha permitido obtener una conclusión definitiva sobre el efecto de la lactonasa AiiA en competitividad. Con el fin de analizar el significado y la regulación de la producción de moléculas señal tipo AHL, se han generado mutantes defectivos en cada uno de los dos sistemas de QS. Se ha llevado a cabo un análisis detallado sobre la producción de AHLs, formación de biofilm y simbiosis con plantas de guisante, veza y lenteja. El efecto de las deleciones de los genes rhiI y rhiR en Rlv UPM791 es más drástico en ausencia del plásmido pUPM791d. Mutaciones en cinI o cinRIS muestran tanto ausencia de señales, como producción exclusivamente de las de bajo peso molecular, respectivamente, producidas por el sistema rhiRI. Estas mutaciones mostraron un efecto importante en simbiosis. El sistema rhiRI se necesita para un comportamiento simbiótico normal. Además, mutantes cinRIS generaron nódulos blancos e ineficientes, mientras que el mutante cinI fue incapaz de producir nódulos en ninguna de las leguminosas utilizadas. Dicha mutación resultó en la inestabilización del plasmido simbiótico por un mecanismo dependiente de cinI que no ha sido aclarado. En general, los resultados obtenidos indican la existencia de un modelo de regulación dependiente de QS significativamente distinto a los que se han descrito previamente en otras cepas de R. leguminosarum, en las cuales no se había observado ningún fenotipo relevante en simbiosis. La regulación de la producción de AHLs Rlv UPM791 es un proceso complejo que implica genes situados en los plásmidos UPM791c y UPM791d, además de la señal 3-OH-C14:1-HSL. Finalmente, se ha identificado un transportador de tipo RND, homologo a mexAB-oprM de P. aeruginosa e implicado en la extrusión de AHLs de cadena larga. La mutación he dicho transportador no tuvo efectos apreciables sobre la simbiosis. ABSTRACT Rhizobium leguminosarum (Rl) is a soil alpha-proteobacterium that establishes a diazotrophic symbiosis with different legumes. Despite the importance of this symbiosis to the global nitrogen cycling balance, very few rhizobial genomes have been sequenced so far which provide new insights into the genetic features contributing to symbiotically relevant processes. Only three complete sequences of Rl strains have been published: Rl bv. viciae 3841, harboring six plasmids (7.75 Mb) and two Rl bv. trifolii (WSM1325 and WSM2304), both clover symbionts, harboring 5 and 4 plasmids, respectively (7.41 and 6.87 Mb). The genomic sequence of Rlv UPM791 was undertaken by means of 454 sequencing. Illumina and Sanger reads were used to improve the assembly, leading to 17 final contigs. This genome has an estimated size of 7.8 Mb organized in one chromosome and five extrachromosomal replicons, including a 405 kb symbiotic plasmid. Four of these plasmids are already closed, whereas there are still gaps in the smallest one (pUPM791d) due to the presence of insertion elements and repeated sequences, which difficult the assembly. The annotation has been carried out thanks to the Manatee pipeline. This new genome has been analyzed as regarding symbiotic and adaptive functions in comparison to the Rlv 3841 complete genome, and to those from Rl bv. trifolii strains WSM1325 and WSM2304. While plasmids pUPM791a and b are conserved, the symbiotic plasmid pUPM791c exhibited the lowest degree of conservation as compared to those from the other Rl strains. One of the factors involved in the symbiotic process is the intercellular communication system known as Quorum Sensing (QS). This mechanism allows bacteria to carry out diverse biological processes in a coordinate way through the production and detection of extracellular signals that regulate the transcription of different target genes. Analysis of the Rlv UPM791 genome allowed the identification of two LuxRI-like systems mediated by N-acyl-homoserine lactones (AHLs). HPLC-MS analysis allowed the adscription of C6-HSL, C7-HSL and C8-HSL signals to the rhiRI system, encoded in the symbiotic plasmid, whereas the cinRI system, located in the chromosome, produces 3OH-C14:1-HSL, previously described as “bacteriocin small”. A third synthase (TraI) is encoded also in the symbiotic plasmid, but its cognate regulator TraR is not functional due to a fameshift mutation. Three additional LuxR orphans were also found which no associated LuxI-type synthase. The potential effect of AHLs has been studied by means of a quorum quenching approach to interfere with the QS systems of the bacteria. This approach is based upon the introduction into the strains Rl UPM791 and Rl 3841 of the Bacillus subtilis gene aiiA expressing constitutively an AHL-degrading lactonase enzyme which led to virtual absence of AHL even when AiiA-expressing cells were a fraction of the total population. No significant effect of AiiA-mediated AHL removal on competitiveness for growth in solid surface was observed. For analysis under symbiotic conditions we have set up a two-label system to identify nodules produced by two different strains in pea roots, based on the markers gusA and celB, encoding a β–glucuronidase and a thermostable β–galactosidase enzymes, respectively. The results obtained show that Rlv UPM791 outcompetes Rlv 3841 for nodule formation in pea plants, and that the presence of the AiiA plasmid does not significantly affect the relative competitiveness of the two Rlv strains. However, the low stability of the pME6863 plasmid, encoding aiiA, did not lead to a clear conclusion about the AiiA lactonase effect on competitiveness. In order to further analyze the significance and regulation of the production of AHL signal molecules, mutants deficient in each of the two QS systems were constructed. A detailed analysis of the effect of these mutations on AHL production, biofilm formation and symbiosis with pea, vetch and lentil plants has been carried out. The effect of deletions on Rlv UPM791 rhiI and rhiR genes is more pronounced in the absence of plasmid pUPM791d, as no signal is detected in UPM791.1, lacking this plasmid. Mutations in cinI or cinRIS show either no signals, or only the small ones produced by the rhiRI system, suggesting that cinR might be regulating the rhiRI system. These mutations had a strong effect on symbiosis. Analysis of rhi mutants revealed that rhiRI system is required for normal symbiotic performance, as a drastic reduction of symbiotic fitness is observed when rhiI is deleted, and rhiR is essential for nitrogen fixation in the absence of plasmid pUPM791d. Furthermore, cinRIS mutants resulted in white and inefficient nodules, whereas cinI mutant was unable to form nodules on any legume tested. The latter mutation is associated to the instabilization of the symbiotic plasmid through a mechanism still uncovered. Overall, the results obtained indicate the existence of a model of QS-dependent regulation significantly different to that previously described in other R. leguminosarum strains, where no relevant symbiotic phenotype had been observed. The regulation of AHL production in Rlv UPM791 is a complex process involving the symbiotic plasmid (pUPM791c) and the smallest plasmid (pUPM791d), with a key role for the 3-OH-C14:1-HSL signal. Finally, we made a search for potential AHL transporters in Rlv UPM791 genome. These signals diffuse freely across membranes, but in the case of the long-chain AHLs an active efflux system might be required, as it has been described for C12-HSL in the case of Pseudomonas aeruginosa. We have identified a putative AHL transporter of the RND family homologous to P. aeruginosa mexAB-oprM. A mutant strain deficient in this transporter has been generated, and TLC analysis shows absence of 3OH-C14:1-HSL in its supernatant. This deficiency was complemented by the reintroduction of an intact copy of the genes via plasmid transfer. The mutation in mexAB genes had no significant effects on the symbiotic performance of R. leguminosarum bv. viciae.

Estudio de los factores que condicionan, a escala local, la presencia de Epidendrum rhopalostele (Orchidaceae): Implicaciones para su conservación

El análisis de los factores que determinan el establecimiento y supervivencia de orquídeas epífitas, incluyen: a) las condiciones microambientales de los bosques que las mantienen, b) preferencias por las características de los hospederos donde crecen, c) limitación en la dispersión de semillas, d) interacciones planta-planta, y e) asociaciones micorrízicas para la germinación y resultan esenciales para el desarrollo de estrategias para la conservación y manejo de este grupo de plantas. Este trabajo ha evaluado la importancia de estos factores en Epidendrum rhopalostele, orquídea epífita del bosque de niebla montano, a través de los análisis de los patrones espaciales de los árboles que la portan y de la propia orquídea, a escala de población, estudios de asociación y métodos moleculares. Estos últimos han consistido en el uso de marcadores AFLP para el análisis de la estructura genética de la orquídea y en la secuenciación-clonación de la región ITS para la identificación de los hongos micorrízicos asociados. El objetivo de esta tesis es, por tanto, una mejor comprensión de los factores que condicionan la presencia de orquídeas epífitas en los remanentes de bosque de niebla montano y una evaluación de las implicaciones para la conservación y mantenimiento de sus hábitats y la permanencia de sus poblaciones. El estudio fue realizado en un fragmento de bosque de niebla montano de sucesión secundaria situado al este de la Cordillera Real, en los Andes del sur de Ecuador, a 2250 m.s.n.m y caracterizado por una pendiente marcada, temperatura media anual de 20.8°C y precipitación anual de 2193 mm. En este fragmento se mapearon, identificaron y caracterizaron todos los árboles presentes con DBH > 1 cm y todos los individuos de Epidendrum rhopalostele. Así mismo se tomaron muestras de hoja para obtener ADN de todas las orquídeas registradas y muestras de raíces de individuos con flor de E. rhopalostele, uno por cada forófito, para el análisis filogenético de micorrizas. Análisis espaciales de patrones de puntos basados en la K de Ripley y la distancia al vecino más cercano fueron usados para los árboles, forófitos y la población de E. rhopalostele. Se observó que la distribución espacial de árboles y forófitos de E. rhopalostele no es aleatoria, ya que se ajusta a un proceso agregado de Poisson. De ahí se infiere una limitación en la dispersión de las semillas en el fragmento estudiado y en el establecimiento de la orquídea. El patrón de distribución de la población de E. rhopalostele en el fragmento muestra un agrupamiento a pequeña escala sugiriendo una preferencia por micro-sitios para el establecimiento de la orquídea con un kernel de dispersión de las semillas estimado de 0.4 m. Las características preferentes del micro-sitio como tipos de árboles (Clusia alata y árboles muertos), tolerancia a la sombra, corteza rugosa, distribución en los dos primeros metros sugieren una tendencia a distribuirse en el sotobosque. La existencia de una segregación espacial entre adultos y juveniles sugiere una competencia por recursos limitados condicionada por la preferencia de micro-sitio. La estructura genética de la población de E. rhopalostele analizada a través de Structure y PCoA evidencia la presencia de dos grupos genéticos coexistiendo en el fragmento y en los mismos forófitos, posiblemente por eventos de hibridización entre especies de Epidendrum simpátricas. Los resultados del análisis de autocorrelación espacial efectuados en GenAlex confirman una estructura genético-espacial a pequeña escala que es compatible con un mecanismo de dispersión de semillas a corta distancia ocasionada por gravedad o pequeñas escorrentías, frente a la dispersión a larga distancia promovida por el viento generalmente atribuida a las orquídeas. Para la identificación de los micobiontes se amplificó la región ITS1-5.8S-ITS2, y 47 secuencias fueron usadas para el análisis filogenético basado en neighborjoining, análisis bayesiano y máximum-likelihood que determinó que Epidendrum rhopalostele establece asociaciones micorrízicas con al menos dos especies diferentes de Tulasnella. Se registraron plantas que estaban asociadas con los dos clados de hongos encontrados, sugiriendo ausencia de limitación en la distribución del hongo. Con relación a las implicaciones para la conservación in situ resultado de este trabajo se recomienda la preservación de todo el fragmento de bosque así como de las interacciones existentes (polinizadores, micorrizas) a fin de conservar la diversidad genética de esta orquídea epífita. Si fuere necesaria una reintroducción se deben contemplar distancias entre los individuos en cada forófito dentro de un rango de 0.4 m. Para promover el reclutamiento y regeneración de E. rhopalostele, se recomienda que los forófitos correspondan preferentemente a árboles muertos o caídos y a especies, como Clusia alata, que posean además corteza rugosa, sean tolerantes a la sombra, y en el área del sotobosque con menor luminosidad. Además es conveniente que las orquídeas en su distribución vertical estén ubicadas en los primeros metros. En conclusión, la limitación en la dispersión, las características del micro-sitio, las interacciones intraespecíficas y con especies congenéricas simpátricas y las preferencias micorrízicas condicionan la presencia de esta orquídea epífita en este tipo de bosque. ABSTRACT The analysis of factors that determine the establishment and survival of epiphytic depends on factors such as a) microenvironmental conditions of forest, b) preference for host characteristics where orchids grow, c) seed dispersal limitation, d) plant-plant interaction, e) priority mycorrhizal associations for germination, are essential for the development of strategies for management and conservation. This work evaluated the importance of these factors in Epidendrum rhopalostele, an epiphytic orchid of montane cloud forest through the analysis of spatial patterns of host trees and the orchid, in a more specific scale, with association studies and molecular methods, including AFLPs for orchid population genetic structure and the sequencing of the ITS region for associated mycorrhizal fungi. The aim of this thesis is to understand the factors that condition the presence of epiphytic orchids in the remnants of montane cloud forest and to assess the implications for the conservation and preservation of their habitats and the persistence of the orchid populations. The study was carried out in a fragment of montane cloud forest of secondary succession on the eastern slope of Cordillera Real in the Andes of southern Ecuador, located at 2250 m a.s.l. characterized by a steep slope, mean annual temperature of 20.8°C and annual precipitation of 2193 mm. All trees with DBH > 1 cm were mapped, characterized and identified. All E. rhopalostele individuals present were counted, marked, characterized and mapped. Leaf samples of all orchid individuals were collected for DNA analysis. Root samples of flowering E. rhopalostele individuals were collected for phylogenetic analysis of mycorrhizae, one per phorophyte. Spatial point pattern analysis based on Ripley`s K function and nearest neighbor function was used for trees, phorophytes and orchid population. We observed that spatial distribution of trees and phorophytes is not random, as it adjusts to a Poisson cluster process. This suggests a limitation for seed dispersal in the study fragment that is affecting orchid establishment. Furthermore, the small-scale spatial pattern of E. rhopalostele evidences a clustering that suggests a microsite preference for orchid establishment with a dispersal kernel of 0.4 m. Microsite features such as types of trees (dead trees or Clusia alata), shade tolerance trees, rough bark, distribution in the first meters suggest a tendency to prefer the understory for their establishment. Regarding plant-plant interaction a spatial segregation between adults and juveniles was present suggesting competition for limited resources conditioned for a microsite preference. Analysis of genetic structure of E. rhopalostele population through Structure and PCoA shows two genetic groups coexisting in this fragment and in the same phorophyte, possibly as a result of hybridization between sympatric species of Epidendrum. Our results of spatial autocorrelation analysis develop in GenAlex confirm a small-scale spatial-genetic structure within the genetic groups that is compatible with a short-distance dispersal mechanism caused by gravity or water run-off, instead of the long-distance seed dispersal promoted by wind generally attributed to orchids. For mycobionts identification ITS1-5.8S-ITS2 rDNA region was amplified. Phylogenetic analysis was performed with neighborjoining, Bayesian likelihood and maximum-likelihood for 47 sequences yielded two Tulasnella clades. This orchid establishes mycorrhizal associations with at least two different Tulasnella species. In some cases both fungi clades were present in same root, suggesting no limitation in fungal distribution. Concerning the implications for in situ conservation resulting from this work, the preservation of all forest fragment and their interactions (pollinators, mycorrhiza) is recommended to conserve the genetic diversity of this species. If a reintroduction were necessary, distances between individuals in each phorophyte within a range of 0.4 m, are recommended. To promote recruitment and regeneration of E. rhopalostele it is recommended that phorophytes correspond to dead or fallen trees or species, such as Clusia alata. Trees that have rough bark and are shade tolerant are also recommended. Furthermore, regarding vertical distribution, it is also convenient that orchids are located in the first meter (in understory, area with less light). In conclusion, limitation on seed dispersal, microsite characteristics, plant-plant interactions or interaction with cogeneric sympatric species and mycorrhizal preferences conditioned the presence of this epiphytic orchid in this fragment forest.