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.

HAK transporters from Physcomitrella patens and Yarrowia lipolytica mediate sodium uptake

The widespread presence of Na+ specific uptake systems across plants and fungi is a controversial topic. In this study we identify two HAK genes, one in the moss Physcomitrella patens and the other in the yeast Yarrowia lipolytica, that encode Na+ specific transporters. Because HAK genes are numerous in plants and are duplicated in many fungi, our findings suggest that some HAK genes encode Na+ transporters and that Na+ might play physiological functions in plants and fungi more extensively than is currently thought.

Molecular basis of salt tolerance in Physcomitrella Patens model plant: potassium homeostasis and physiological roles of chx transporters

El suelo salino impone un estrés abiótico importante que causa graves problemas en la agricultura ya que la mayoría de los cultivos se ven afectados por la salinidad debido a efectos osmóticos y tóxicos. Por ello, la contaminación y la escasez de agua dulce, la salinización progresiva de tierras y el aumento exponencial de la población humana representan un grave problema que amenaza la seguridad alimentaria mundial para las generaciones futuras. Por lo tanto, aumentar la tolerancia a la salinidad de los cultivos es un objetivo estratégico e ineludible para garantizar el suministro de alimentos en el futuro. Mantener una óptima homeostasis de K+ en plantas que sufren estrés salino es un objetivo importante en el proceso de obtención de plantas tolerantes a la salinidad. Aunque el modelo de la homeostasis de K+ en las plantas está razonablemente bien descrito en términos de entrada de K+, muy poco se sabe acerca de los genes implicados en la salida de K+ o de su liberación desde la vacuola. En este trabajo se pretende aclarar algunos de los mecanismos implicados en la homeostasis de K+ en plantas. Para ello se eligió la briofita Physcomitrella patens, una planta no vascular de estructura simple y de fase haploide dominante que, entre muchas otras cualidades, hacen que sea un modelo ideal. Lo más importante es que no sólo P. patens es muy tolerante a altas concentraciones de Na+, sino que también su posición filogenética en la evolución de las plantas abre la posibilidad de estudiar los cambios claves que, durante el curso de la evolución, se produjeron en las diversas familias de los transportadores de K+. Se han propuesto varios transportadores de cationes como candidatos que podrían tener un papel en la salida de K+ o su liberación desde la vacuola, especialmente miembros de la familia CPA2 que contienen las familias de transportadores KEA y CHX. En este estudio se intenta aumentar nuestra comprensión de las funciones de los transportadores de CHX en las células de las plantas usando P. patens, como ya se ha dicho. En esta especie, se han identificado cuatro genes CHX, PpCHX1-4. Dos de estos genes, PpCHX1 y PpCHX2, se expresan aproximadamente al mismo nivel que el gen PpACT5, y los otros dos genes muestran una expresión muy baja. La expresión de PpCHX1 y PpCHX2 en mutantes de Escherichia coli defectivos en el transporte de K+ restauraron el crecimiento de esta cepa en medios con bajo contenido de K+, lo que viii sugiere que la entrada de K+ es energizada por un mecanismo de simporte con H+. Por otra parte, estos transportadores suprimieron el defecto asociado a la mutación kha1 en Saccharomyces cerevisiae, lo que sugiere que podrían mediar un antiporte en K+/H+. La proteína PpCHX1-GFP expresada transitoriamente en protoplastos de P. patens co-localizó con un marcador de Golgi. En experimentos similares, la proteína PpCHX2-GFP localizó aparentemente en la membrana plasmática y tonoplasto. Se construyeron las líneas mutantes simples de P. patens ΔPpchx1 y ΔPpchx2, y también el mutante doble ΔPpchx2 ΔPphak1. Los mutantes simples crecieron normalmente en todas las condiciones ensayadas y mostraron flujos de entrada normales de K+ y Rb+; la mutación ΔPpchx2 no aumentó el defecto de las plantas ΔPphak1. En experimentos a largo plazo, las plantas ΔPpchx2 mostraron una retención de Rb+ ligeramente superior que las plantas silvestres, lo que sugiere que PpCHX2 promueve la transferencia de Rb+ desde la vacuola al citosol o desde el citosol al medio externo, actuando en paralelo con otros transportadores. Sugerimos que transportadores de K+ de varias familias están involucrados en la homeostasis de pH de orgánulos ya sea mediante antiporte K+/H+ o simporte K+-H+.ix ABSTRACT Soil salinity is a major abiotic stress causing serious problems in agriculture as most crops are affected by it. Moreover, the contamination and shortage of freshwater, progressive land salinization and exponential increase of human population aggravates the problem implying that world food security may not be ensured for the next generations. Thus, a strategic and an unavoidable goal would be increasing salinity tolerance of plant crops to secure future food supply. Maintaining an optimum K+ homeostasis in plants under salinity stress is an important trait to pursue in the process of engineering salt tolerant plants. Although the model of K+ homeostasis in plants is reasonably well described in terms of K+ influx, very little is known about the genes implicated in K+ efflux or release from the vacuole. In this work, we aim to clarify some of the mechanisms involved in K+ homeostasis in plants. For this purpose, we chose the bryophyte plant Physcomitrella patens, a nonvascular plant of simple structure and dominant haploid phase that, among many other characteristics, makes it an ideal model. Most importantly, not only P. patens is very tolerant to high concentrations of Na+, but also its phylogenetic position in land plant evolution opens the possibility to study the key changes that occurred in K+ transporter families during the course of evolution. Several cation transporter candidates have been proposed to have a role in K+ efflux or release from the vacuole especially members of the CPA2 family which contains the KEA and CHX transporter families. We intended in this study to increase our understanding of the functions of CHX transporters in plant cells using P. patens, in which four CHX genes have been identified, PpCHX1-4. Two of these genes, PpCHX1 and PpCHX2, are expressed at approximately the same level as the PpACT5 gene, but the other two genes show an extremely low expression. PpCHX1 and PpCHX2 restored growth of Escherichia coli mutants on low K+-containing media, suggesting they mediated K+ uptake that may be energized by symport with H+. In contrast, these genes suppressed the defect associated to the kha1 mutation in Saccharomyces cerevisiae, which suggest that they might mediate K+/H+ antiport. PpCHX1-GFP protein transiently expressed in P. patens protoplasts co-localized with a Golgi marker. In similar experiments, the PpCHX2-GFP protein appeared to localize to tonoplast and plasma x membrane. We constructed the ΔPpchx1 and ΔPpchx2 single mutant lines, and the ΔPpchx2 ΔPphak1 double mutant. Single mutant plants grew normally under all the conditions tested and exhibited normal K+ and Rb+ influxes; the ΔPpchx2 mutation did not increase the defect of ΔPphak1 plants. In long-term experiments, ΔPpchx2 plants showed a slightly higher Rb+ retention than wild type plants, which suggests that PpCHX2 mediates the transfer of Rb+ from either the vacuole to the cytosol or from the cytosol to the external medium in parallel with other transporters. We suggest that K+ transporters of several families are involved in the pH homeostasis of organelles by mediating either K+/H+ antiport or K+-H+ symport.

Sensitization profiles and cross-reactivity among plant allergens. Molecular mechanisms of food allergy development and the role of enhancers

La prevalencia de las alergias está aumentando desde mediados del siglo XX, y se estima que actualmente afectan a alrededor del 2-8 % de la población, pero las causas de este aumento aún no están claras. Encontrar el origen del mecanismo por el cual una proteína inofensiva se convierte en capaz de inducir una respuesta alérgica es de vital importancia para prevenir y tratar estas enfermedades. Aunque la caracterización de alérgenos relevantes ha ayudado a mejorar el manejo clínico y a aclarar los mecanismos básicos de las reacciones alérgicas, todavía queda un largo camino para establecer el origen de la alergenicidad y reactividad cruzada. El objetivo de esta tesis ha sido caracterizar las bases moleculares de la alergenicidad tomando como modelo dos familias de panalergenos (proteínas de transferencia de lípidos –LTPs- y taumatinas –TLPs-) y estudiando los mecanismos que median la sensibilización y la reactividad cruzada para mejorar tanto el diagnóstico como el tratamiento de la alergia. Para ello, se llevaron a cabo dos estrategias: estudiar la reactividad cruzada de miembros de familias de panalérgenos; y estudiar moléculas-co-adyuvantes que pudieran favorecer la capacidad alergénica de dichas proteínas. Para estudiar la reactividad cruzada entre miembros de la misma familia de proteínas, se seleccionaron LTPs y TLPs, descritas como alergenos, tomando como modelo la alergia a frutas. Por otra parte, se estudiaron los perfiles de sensibilización a alérgenos de trigo relacionados con el asma del panadero, la enfermedad ocupacional más relevante de origen alérgico. Estos estudios se llevaron a cabo estandarizando ensayos tipo microarrays con alérgenos y analizando los resultados por la teoría de grafos. En relación al estudiar moléculas-co-adyuvantes que pudieran favorecer la capacidad alergénica de dichas proteínas, se llevaron a cabo estudios sobre la interacción de los alérgenos alimentarios con células del sistema inmune humano y murino y el epitelio de las mucosas, analizando la importancia de moléculas co-transportadas con los alérgenos en el desarrollo de una respuesta Th2. Para ello, Pru p 3(LTP y alérgeno principal del melocotón) se selección como modelo para llevarlo a cabo. Por otra parte, se analizó el papel de moléculas activadoras del sistema inmune producidas por patógenos en la inducción de alergias alimentarias seleccionando el modelo kiwi-alternaria, y el papel de Alt a 1, alérgeno mayor de dicho hongo, en la sensibilización a Act d 2, alérgeno mayor de kiwi. En resumen, el presente trabajo presenta una investigación innovadora aportando resultados de gran utilidad tanto para la mejora del diagnóstico como para nuevas investigaciones sobre la alergia y el esclarecimiento final de los mecanismos que caracterizan esta enfermedad. ABSTRACT Allergies are increasing their prevalence from mid twentieth century, and they are currently estimated to affect around 2-8% of the population but the underlying causes of this increase remain still elusive. The understanding of the mechanism by which a harmless protein becomes capable of inducing an allergic response provides us the basis to prevent and treat these diseases. Although the characterization of relevant allergens has led to improved clinical management and has helped to clarify the basic mechanisms of allergic reactions, it seems justified in aspiring to molecularly dissecting these allergens to establish the structural basis of their allergenicity and cross-reactivity. The aim of this thesis was to characterize the molecular basis of the allergenicity of model proteins belonging to different families (Lipid Transfer Proteins –LTPs-, and Thaumatin-like Proteins –TLPs-) in order to identify mechanisms that mediate sensitization and cross reactivity for developing new strategies in the management of allergy, both diagnosis and treatment, in the near future. With this purpose, two strategies have been conducted: studies of cross-reactivity among panallergen families and molecular studies of the contribution of cofactors in the induction of the allergic response by these panallergens. Following the first strategy, we studied the cross-reactivity among members of two plant panallergens (LTPs , Lipid Transfer Proteins , and TLPs , Thaumatin-like Proteins) using the peach allergy as a model. Similarly, we characterized the sensitization profiles to wheat allergens in baker's asthma development, the most relevant occupational disease. These studies were performed using allergen microarrays and the graph theory for analyzing the results. Regarding the second approach, we analyzed the interaction of plant allergens with immune and epithelial cells. To perform these studies , we examined the importance of ligands and co-transported molecules of plant allergens in the development of Th2 responses. To this end, Pru p 3, nsLTP (non-specific Lipid Transfer Protein) and peach major allergen, was selected as a model to investigate its interaction with cells of the human and murine immune systems as well as with the intestinal epithelium and the contribution of its ligand in inducing an allergic response was studied. Moreover, we analyzed the role of pathogen associated molecules in the induction of food allergy. For that, we selected the kiwi- alternaria system as a model and the role of Alt a 1 , major allergen of the fungus, in the development of Act d 2-sensitization was studied. In summary, this work presents an innovative research providing useful results for improving diagnosis and leading to further research on allergy and the final clarification of the mechanisms that characterize this disease.

Functional, structural and phylogenetic analysis of domains underlying the Al sensitivity of the aluminum-activated malate/anion transporter, TaALMT1.

Triticum aestivum aluminum-activated malate transporter (TaALMT1) is the founding member of a unique gene family of anion transporters (ALMTs) that mediate the efflux of organic acids. A small sub-group of root-localized ALMTs, including TaALMT1, is physiologically associated with in planta aluminum (Al) resistance. TaALMT1 exhibits significant enhancement of transport activity in response to extracellular Al. In this study, we integrated structure–function analyses of structurally altered TaALMT1 proteins expressed in Xenopus oocytes with phylogenic analyses of the ALMT family. Our aim is to re-examine the role of protein domains in terms of their potential involvement in the Al-dependent enhancement (i.e. Al-responsiveness) of TaALMT1 transport activity, as well as the roles of all its 43 negatively charged amino acid residues. Our results indicate that the N-domain, which is predicted to form the conductive pathway, mediates ion transport even in the absence of the C-domain. However, segments in both domains are involved in Al3+ sensing. We identified two regions, one at the N-terminus and a hydrophobic region at the C-terminus, that jointly contribute to the Al-response phenotype. Interestingly, the characteristic motif at the N-terminus appears to be specific for Al-responsive ALMTs. Our study highlights the need to include a comprehensive phylogenetic analysis when drawing inferences from structure–function analyses, as a significant proportion of the functional changes observed for TaALMT1 are most likely the result of alterations in the overall structural integrity of ALMT family proteins rather than modifications of specific sites involved in Al3+ sensing.

Distinct and conserved transcriptomic changes during nematode-induced giant cell development in tomato compared with Arabidopsis: a functional role for gene repression

Root-knot nematodes (RKNs) induce giant cells (GCs) from root vascular cells inside the galls. Accompanying molecular changes as a function of infection time and across different species, and their functional impact, are still poorly understood. Thus, the transcriptomes of tomato galls and laser capture microdissected (LCM) GCs over the course of parasitism were compared with those of Arabidopsis, and functional analysis of a repressed gene was performed. Microarray hybridization with RNA from galls and LCM GCs, infection-reproduction tests and quantitative reverse transcription-polymerase chain reaction (qRT-PCR) transcriptional profiles in susceptible and resistant (Mi-1) lines were performed in tomato. Tomato GC-induced genes include some possibly contributing to the epigenetic control of GC identity. GC-repressed genes are conserved between tomato and Arabidopsis, notably those involved in lignin deposition. However, genes related to the regulation of gene expression diverge, suggesting that diverse transcriptional regulators mediate common responses leading to GC formation in different plant species. TPX1, a cell wall peroxidase specifically involved in lignification, was strongly repressed in GCs/galls, but induced in a nearly isogenic Mi-1 resistant line on nematode infection. TPX1 overexpression in susceptible plants hindered nematode reproduction and GC expansion. Time-course and cross-species comparisons of gall and GC transcriptomes provide novel insights pointing to the relevance of gene repression during RKN establishment.