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.

Arabidopsis heterotrimeric G-protein regulates cell wall defense and resistance to necrotrophic fungi

The Arabidopsis heterotrimeric G-protein controls defense responses to necrotrophic and vascular fungi. The agb1 mutant impaired in the Gβ subunit displays enhanced susceptibility to these pathogens. Gβ/AGB1 forms an obligate dimer with either one of the Arabidopsis Gγ subunits (γ1/AGG1 and γ2/AGG2). Accordingly, we now demonstrate that the agg1 agg2 double mutant is as susceptible as agb1 plants to the necrotrophic fungus Plectosphaerella cucumerina. To elucidate the molecular basis of heterotrimeric G-protein-mediated resistance, we performed a comparative transcriptomic analysis of agb1-1 mutant and wild-type plants upon inoculation with P. cucumerina. This analysis, together with metabolomic studies, demonstrated that G-protein-mediated resistance was independent of defensive pathways required for resistance to necrotrophic fungi, such as the salicylic acid, jasmonic acid, ethylene, abscisic acid, and tryptophan-derived metabolites signaling, as these pathways were not impaired in agb1 and agg1 agg2 mutants. Notably, many mis-regulated genes in agb1 plants were related with cell wall functions, which was also the case in agg1 agg2 mutant. Biochemical analyses and Fourier Transform InfraRed (FTIR) spectroscopy of cell walls from G-protein mutants revealed that the xylose content was lower in agb1 and agg1 agg2 mutants than in wild-type plants, and that mutant walls had similar FTIR spectratypes, which differed from that of wild-type plants. The data presented here suggest a canonical functionality of the Gβ and Gγ1/γ2 subunits in the control of Arabidopsis immune responses and the regulation of cell wall composition.

Functional response of Ulmus minor Mill. to drought, flooding and dutch elm disease

Ulmus minor es una especie arbórea originaria de Europa cuyas poblaciones han sido diezmadas por el hongo patógeno causante de la enfermedad de la grafiosis. La conservación de los olmos exige plantearse su propagación a través de plantaciones y conocer mejor su ecología y biología. Ulmus minor es un árbol de ribera, pero frecuentemente se encuentra alejado del cauce de arroyos y ríos, donde la capa freática sufre fuertes oscilaciones. Por ello, nuestra hipótesis general es que esta especie es moderadamente resistente tanto a la inundación como a la sequía. El principal objetivo de esta tesis doctoral es entender desde un punto de vista funcional la respuesta de U. minor a la inundación, la sequía y la infección por O. novo-ulmi; los factores que posiblemente más influyen en la distribución actual de U. minor. Con este objetivo se persigue dar continuidad a los esfuerzos de conservación de esta especie que desde hace años se dedican en varios centros de investigación a nivel mundial, ya que, entender mejor los mecanismos que contribuyen a la resistencia de U. minor ante la inoculación con O. novo-ulmi y factores de estrés abiótico ayudará en la selección y propagación de genotipos resistentes a la grafiosis. Se han planteado tres experimentos en este sentido. Primero, se ha comparado la tolerancia de brinzales de U. minor y U. laevis – otro olmo ibérico – a una inmersión controlada con el fin de evaluar su tolerancia a la inundación y comprender los mecanismos de aclimatación. Segundo, se ha comparado la tolerancia de brinzales de U. minor y Quercus ilex – una especie típica de ambientes Mediterránea secos – a la falta de agua en el suelo con el fin de evaluar el grado de tolerancia y los mecanismos de aclimatación a la sequía. El hecho de comparar dos especies contrastadas responde al interés en entender mejor cuales son los procesos que conducen a la muerte de una planta en condiciones de sequía – asunto sobre el que hay una interesante discusión desde hace algunos años. En tercer lugar, con el fin de entender mejor la resistencia de algunos genotipos de U. minor a la grafiosis, se han estudiado las diferencias fisiológicas y químicas constitutivas e inducidas por O. novo-ulmi entre clones de U. minor seleccionados a priori por su variable grado de resistencia a esta enfermedad. En el primer experimento se observó que los brinzales de U. minor sobrevivieron 60 días inmersos en una piscina con agua no estancada hasta una altura de 2-3 cm por encima del cuello de la raíz. A los 60 días, los brinzales de U. laevis se sacaron de la piscina y, a lo largo de las siguientes semanas, fueron capaces de recuperar las funciones fisiológicas que habían sido alteradas anteriormente. La conductividad hidráulica de las raíces y la tasa de asimilación de CO2 neta disminuyeron en ambas especies. Por el contrario, la tasa de respiración de hojas, tallos y raíces aumentó en las primeras semanas de la inundación, posiblemente en relación al aumento de energía necesario para desarrollar mecanismos de aclimatación a la inundación, como la hipertrofia de las lenticelas que se observó en ambas especies. Por ello, el desequilibrio del balance de carbono de la planta podría ser un factor relevante en la mortalidad de las plantas ante inundaciones prolongadas. Las plantas de U. minor (cultivadas en envases de 16 litros a media sombra) sobrevivieron por un prolongado periodo de tiempo en verano sin riego; la mitad de las plantas murieron tras 90 días sin riego. El cierre de los estomas y la pérdida de hojas contribuyeron a ralentizar las pérdidas de agua y tolerar la sequía en U. minor. Las obvias diferencias en tolerancia a la sequía con respecto a Q. ilex se reflejaron en la distinta capacidad para ralentizar la aparición del estrés hídrico tras dejar de regar y para transportar agua en condiciones de elevada tensión en el xilema. Más relevante es que las plantas con evidentes síntomas de decaimiento previo a su muerte exhibieron pérdidas de conductividad hidráulica en las raíces del 80% en ambas especies, mientras que las reservas de carbohidratos apenas variaron y lo hicieron de forma desigual en ambas especies. Árboles de U. minor de 5 y 6 años de edad (plantados en eras con riego mantenido) exhibieron una respuesta a la inoculación con O. novo-ulmi consistente con ensayos previos de resistencia. La conductividad hidráulica del tallo, el potencial hídrico foliar y la tasa de asimilación de CO2 neta disminuyeron significativamente en relación a árboles inoculados con agua, pero solo en los clones susceptibles. Este hecho enlaza con el perfil químico “más defensivo” de los clones resistentes, es decir, con los mayores niveles de suberina, ácidos grasos y compuestos fenólicos en estos clones que en los susceptibles. Ello podría restringir la propagación del hongo en el árbol y preservar el comportamiento fisiológico de los clones resistentes al inocularlos con el patógeno. Los datos indican una respuesta fisiológica común de U. minor a la inundación, la sequía y la infección por O. novo-ulmi: pérdida de conductividad hidráulica, estrés hídrico y pérdida de ganancia neta de carbono. Pese a ello, U. minor desarrolla varios mecanismos que le confieren una capacidad moderada para vivir en suelos temporalmente anegados o secos. Por otro lado, el perfil químico es un factor relevante en la resistencia de ciertos genotipos a la grafiosis. Futuros estudios deberían examinar como este perfil químico y la resistencia a la grafiosis se ven alteradas por el estrés abiótico. ABSTRACT Ulmus minor is a native European elm species whose populations have been decimated by the Dutch elm disease (DED). An active conservation of this species requires large-scale plantations and a better understanding of its biology and ecology. U. minor generally grows close to water channels. However, of the Iberian riparian tree species, U. minor is the one that spread farther away from rivers and streams. For these reasons, we hypothesize that this species is moderately tolerant to both flooding and drought stresses. The main aim of the present PhD thesis is to better understand the functional response of U. minor to the abiotic stresses – flooding and drought – and the biotic stress – DED – that can be most influential on its distribution. The overarching goal is to aid in the conservation of this emblematic species through a better understanding of the mechanisms that contribute to resistance to abiotic and biotic stresses; an information that can help in the selection of resistant genotypes and their expansion in large-scale plantations. To this end, three experiments were set up. First, we compared the tolerance to experimental immersion between seedlings of U. minor and U. laevis – another European riparian elm species – in order to assess their degree of tolerance and understand the mechanisms of acclimation to this stress. Second, we investigated the tolerance to drought of U. minor seedlings in comparison with Quercus ilex (an oak species typical of dry Mediterranean habitats). Besides assessing and understanding U. minor tolerance to drought at the seedling stage, the aim was to shed light into the functional alterations that trigger drought-induced plant mortality – a matter of controversy in the last years. Third, we studied constitutive and induced physiological and biochemical differences among clones of variable DED resistance, before and following inoculation with Ophiostoma novo-ulmi. The goal is to shed light into the factors of DED resistance that is evident in some genotypes of U. minor, but not others. Potted seedlings of U. minor survived for 60 days immersed in a pool with running water to approximately 2-3 cm above the stem collar. By this time, U. minor seedlings died, whereas U. laevis seedlings moved out of the pool were able to recover most physiological functions that had been altered by flooding. For example, root hydraulic conductivity and leaf photosynthetic CO2 uptake decreased in both species; while respiration initially increased with flooding in leaves, stems and roots possibly to respond to energy demands associated to mechanisms of acclimation to soil oxygen deficiency; as example, a remarkable hypertrophy of lenticels was soon observed in flooded seedlings of both species. Therefore, the inability to maintain a positive carbon balance somehow compromises seedling survival under flooding, earlier in U. minor than U. laevis, partly explaining their differential habitats. Potted seedlings of U. minor survived for a remarkable long time without irrigation – half of plants dying only after 90 days of no irrigation in conditions of high vapour pressure deficit typical of summer. Some mechanisms that contributed to tolerate drought were leaf shedding and stomata closure, which reduced water loss and the risk of xylem cavitation. Obviously, U. minor was less tolerant to drought than Q. ilex, differences in drought tolerance resulting mostly from the distinct capacity to postpone water stress and conduct water under high xylem tension among species. More relevant was that plants of both species exhibited similar symptoms of root hydraulic failure (i.e. approximately 80% loss of hydraulic conductivity), but a slight and variable depletion of non-structural carbohydrate reserves preceding dieback. Five- and six-year-old trees of U. minor (planted in the field with supplementary watering) belonging to clones of contrasted susceptibility to DED exhibited a different physiological response to inoculation with O. novo-ulmi. Stem hydraulic conductivity, leaf water potential and photosynthetic CO2 uptake decreased significantly relative to control trees inoculated with water only in DED susceptible clones. This is consistent with the “more defensive” chemical profile observed in resistant clones, i.e. with higher levels of saturated hydrocarbons (suberin and fatty acids) and phenolic compounds than in susceptible clones. These compounds could restrict the spread of O. novo-ulmi and contribute to preserving the near-normal physiological function of resistant trees when exposed to the pathogen. These results evidence common physiological responses of U. minor to flooding, drought and pathogen infection leading to xylem water disruption, leaf water stress and reduced net carbon gain. Still, seedlings of U. minor develop various mechanisms of acclimation to abiotic stresses that can play a role in surviving moderate periods of flood and drought. The chemical profile appears to be an important factor for the resistance of some genotypes of U. minor to DED. How abiotic stresses such as flooding and drought affect the capacity of resistant U. minor clones to face O. novo-ulmi is a key question that must be contemplated in future research.