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.

Nuevos mecanismos moleculares de tolerancia a sequía y otros tipos de estrés abiótico en especies arbóreas de interés económico

Las masas forestales tienen una importancia colosal para nuestra sociedad y el conjunto de la biosfera. Estudios recientes a escala mundial indican que la sequía es el factor abiótico que más afecta a su crecimiento y supervivencia, seguida por las temperaturas extremas y la salinidad. Aunque comprender los mecanismos con que las especies arbóreas toleran estas formas de estrés tiene un interés aplicado evidente, dichos mecanismos se han estudiado mucho más en especies herbáceas modelo o de interés agronómico. Existen sin embargo diferencias notables entre ellas, como se demuestra en esta tesis y en otros trabajos recientes. Nuestro estudio se centra concretamente en la respuesta molecular del chopo –el sistema modelo forestal más desarrollado– al estrés abiótico, con particular énfasis en la sequía. Utilizando una estrategia proteómica y tratamientos controlados, hemos identificado componentes mayoritarios de dicha respuesta. Su participación en la misma se ha validado mediante análisis transcripcionales detallados utilizando tecnología qRT-PCR (PCR cuantitativa en tiempo real). Hemos identificado proteínas cuyo nexo funcional con mecanismos de tolerancia ya era conocido, como chaperonas moleculares sHSP o enzimas que atenúan el estrés oxidativo, pero también proteínas cuya relación funcional con el estrés es menos clara o incluso novedosa, como polifenol oxidasas (PPO), deshidrogenasas/reductasas de cadena corta (SDR), o bicupinas (BIC), entre otras. El cuerpo central de la tesis consiste en la caracterización detallada de una PPO inusual, cuya inducción por estrés hídrico se describe por vez primera. Estas enzimas están ampliamente distribuidas en plantas, si bien su número es muy variable de unas especies a otras. Algunas, como nogal, tienen un único gen, mientras que Arabidopsis no tiene ninguno. En la última versión del genoma de chopo hemos identificado un total de 12 miembros bona fide, corrigiendo trabajos previos, y hemos caracterizado su expresión individual ante diferentes situaciones de estrés controlado y tratamientos hormonales. La isoforma antedicha es el único miembro de la familia que responde claramente a la deshidratación. También responde a salinidad y a la mayor parte de tratamientos hormonales ensayados, pero no a daño mecánico o tratamientos con metil jasmonato. Esto la diferencia de enzimas homólogas presentes en otras especies de plantas, que se han relacionado experimentalmente con estrés biótico. Los patrones de acumulación de transcritos en árboles adultos son compatibles con un papel protector frente a la sequía. La integración de nuestros estudios funcionales y filogenéticos sugiere que la familia ha sufrido un proceso reciente de diversificación y neofuncionalización, siendo la protección frente a deshidratación su papel primigenio. Aunque se conoce la actividad bioquímica in vitro de este tipo de enzimas, sus sustratos naturales son esencialmente una incógnita. Mediante expresión heteróloga en Escherichia coli BL21(DE3) hemos detectado que la enzima de chopo es capaz de oxidar L-DOPA a dopaquinona, siendo menos activa frente a otros sustratos. Por otra parte, hemos demostrado su localización cloroplástica mediante transformación transitoria de protoplastos con fusiones a la proteína fluorescente YFP. Mediante la obtención de plantas transgénicas de A. thaliana hemos demostrado que la enzima de chopo aumenta considerablemente la tolerancia in vivo frente a la deshidratación y al estrés salino. El análisis fenotípico detallado de las líneas transgénicas, combinando múltiples metodologías, nos ha permitido sustanciar que la tolerancia tiene una base compleja. Esta incluye una mayor protección del sistema fotosintético, una capacidad antioxidante muy incrementada y la acumulación de solutos osmoprotectores como la prolina. Los análisis metabolómicos nos han permitido asociar la expresión de la proteína a la síntesis de un flavano no descrito previamente en A. thaliana, vinculando la enzima de chopo con la síntesis de fenilpropanoides. También hemos observado alteraciones en los niveles hormonales que podrían subyacer a efectos pleiotrópicos con interés aplicado, como un aumento consistente del tamaño de la planta o el acortamiento del ciclo de crecimiento. Además de aportar datos novedosos sobre la funcionalidad in vivo de esta familia de oxidasas, los resultados de esta tesis demuestran que los árboles son sistemas de estudio interesantes para caracterizar nuevas estrategias de tolerancia al estrés abiótico con potencial aplicado. ABSTRACT Forests masses have an extraordinary importance for our society and the biosphere. Recent worldwide studies indicate that drought is the abiotic factor that affects more their growing and survival, followed by extreme temperatures and salinity. The understanding of how the arboreal species tolerate the stress has an evident practical interest, but their mechanisms have been studied much more in herbaceous species or with agronomic interest. However, considerable differences exist between them, as this thesis and recent studies show. Our study is focused on the molecular response of the poplar –the more developed forestry model system- to abiotic stress, specifically focused in the drought. Using a proteomic strategy and controlled treatments, we have identified main components in such response. Its participation has been validated through transcriptional analysis using qRT-PCR technology. We have identified proteins whose functional connection with tolerance mechanisms were already known, as molecular chaperones sHSP or enzymes that attenuate the oxidative stress, but also some proteins whose functional relationship with the stress is less clear or even novel, as polifenol oxidases (PPO), short chain deshidrogenases/reductases (SDR), or bicupines (BIC), among others. The central body of the thesis consists of the detailed characterization of an unsual PPO, whose induction due to drought stress is first described. These enzymes are thoroughly distributed in plants, but their number of members is very variable among species. Some of them, as the walnut tree, have a single gene, while Arabidopsis has none. We have identified a total of 12 members in the last version of the poplar genome, correcting previous works, and have characterized their individual expression against different situations of controlled stress and hormone treatments. The aforementioned isoform is the only member of the family that responds clearly to the drought. It also reacts to salinity and the majority of hormonal treatments tested, but it does not respond to mechanical damage or treatments with methyl jasmonate. This is the difference with homologue enzymes present in other plant species, which have been related experimentally with abiotic stress. The accumulation patterns of transcripts in adult trees are compatible with a protector role against drought. The integration of our functional and phylogenetic studies suggests that the family has suffered a recent process of diversification and neofunctionalization, being the protection against drought their original role. Although the in vitro biochemistry activity of this kind of enzymes is already known, their natural substracts are essentially a mystery. By means of heterologous expression of Escherichia coli BL21(DE3) we have detected that the enzyme of poplar is able to oxidize L-DOPA to dopaquinone, being less active against other substrates. Additionally, we have proven its chloroplastic location with transitory transformation of protoplasts with YFP protein fusion. By means of getting transgenic plants of A. thaliana, we have demonstrated that the poplar enzyme increases notably the in vivo tolerance against the drought and salinity stresses. The phenotypic analysis of the transgenic lines, and the use of multiple methodologies, allowed us to test the complexity of the tolerance. This includes a major protection of the photosynthetic system, a very increased antioxidant capacity and the accumulation of osmoprotectant solutes as the proline. The metabolic analysis has allowed to associate the protein expression with the synthesis of a Flavan non described previously in A. thalaiana, linking the enzyme of poplar with the synthesis of phenylpropanoids. We have observed alterations in the hormonal levels that could underlie pleiotropic effects with applied interest, as a consistent increase of the size of the plant and the reduction of the growth cycle. The results of this thesis, in addition to provide novel data about the in vivo functionality of the oxidase family, demonstrate that the trees are interesting systems of study to characterize new strategies of tolerance against abiotic stress with applied potential.