The analysis of Metarhizium robertsii potential as endophytic plant root coloniser, plant growth enhancer and antagonist to bean root pathogen Fusarium solani f. sp. phaseolis.

The soil-inhabiting insect-pathogenic fungus Metarhizium robertsii also colonizes plant roots endophytically, thus showing potential as a plant symbiont. M robertsii is not randomly distributed in soils but preferentially associates with the plant rhizosphere when applied in agricultural settings. Root surface and endophytic colonization of switchgrass (Panicum virgatum) and haricot beans (Phaseolus vulgaris) by M robertsii were examined after inoculation with fungal conidia. Light and confocal microscopies were used to ascertain this rhizosphere association. Root lengths, root hair density and emergence of lateral roots were also measured. Initially, M robertsii conidia adhered to, germinated on, and colonized, roots. Furthermore, plant roots treated with Metarhizium grew faster and the density of plant root hairs increased when compared with control plants. The onset of plant root hair proliferation was initiated before germination of M robertsii on the root (within 1-2 days). Plants inoculated with M robertsii AMAD2 (plant adhesin gene) took significantly longer to show root hair proliferation than the wild type. Cell free extracts of M robertsii did not stimulate root hair proliferation. Longer term (60 days) associations showed that M robertsii endophytically colonized individual cortical cells within bean roots. Metarhizium appeared as an amorphous mycelial aggregate within root cortical cells as well as between the intercellular spaces with no apparent damage to the plant. These results suggested that not only is M robertsii rhizosphere competent but displays a beneficial endophytic association with plant roots that results in the proliferation of root hairs. The biocontrol of bean (Phaseolis vulgaris) root rot fungus Fusarium solani f. sp. phaseolis by Metarhizium robertsii was investigated in vitro and in vivo. Dual cultures on Petri dishes showed antagonism of M robertsii against F. solani. A relative inhibition of ca. 60% of F. solani growth was observed in these assays. Cell free culture filtrates of M robertsii inhibited the germination of F. solani conidia by 83% and the inhibitory metabolite was heat stable. Beans plants colonized by M robertsii then exposed to F. solani showed healthier plant profiles and lower disease indices compared to plants not colonized by M robertsii. These results suggested that the insect pathogenic/endophytic fungus M robertsii could also be utilized as a biocontrol agent against certain plant pathogens occurring in the rhizosphere.

The Molecular Consequences of CK2-mediated Phosphorylation of the TGA2 Transcription Factor within Systemic Acquired Resistance of Arabidopsis thaliana

During infection, the model plant Arabidopsis thaliana is capable of activating long lasting defence responses both in tissue directly affected by the pathogen and in more distal tissue. Systemic acquired resistance (SAR) is a type of systemic defence response deployed against biotrophic pathogens resulting in altered plant gene expression and production of antimicrobial compounds. One such gene involved in plant defence is called pathogenesis-related 1 (PR1) and is under the control of several protein regulators. TGA II-clade transcription factors (namely TGA2) repress PR1 activity prior to infection by forming large oligomeric complexes effectively blocking gene transcription. After pathogen detection, these complexes are dispersed by a mechanism unknown until now and free TGA molecules interact with the non-expressor of pathogenesis-related gene 1 (NPR1) protein forming an activating complex enabling PR1 transcription. This study elucidates the TGA2 dissociation mechanism by introducing protein kinase CK2 into this process. This enzyme efficiently phosphorylates TGA2 resulting in two crucial events. Firstly, the DNA-binding ability of this transcription factor is completely abolished explaining how the large TGA2 complexes are quickly evicted from the PR1 promoter. Secondly, a portion of TGA2 molecules dissociate from the complexes after phosphorylation which likely makes them available for the formation of the TGA2-NPR1 activating complex. We also show that phosphorylation of a multiserine motif found within TGA2’s N terminus is responsible for the change of affinity to DNA, while modification of a single threonine in the leucine zipper domain seems to be responsible for deoligomerization. Despite the substantial changes caused by phosphorylation, TGA2 is still capable of interacting with NPR1 and these proteins together form a complex on DNA promoting PR1 transcription. Therefore, we propose a change in the current model of how PR1 is regulated by adding CK2 which targets TGA2 displacing it’s complexes from the promoter and providing solitary TGA2 molecules for assembly of the activating complex. Amino acid sequences of regions targeted by CK2 in Arabidopsis TGA2 are similar to those found in TGA2 homologs in rice and tobacco. Therefore, the molecular mechanism that we have identified may be conserved among various plants, including important crop species, adding to the significance of our findings.

Trading nitrogen for carbon: Nitrogen and carbon translocation in a plant/fungal (Metarhizium spp.) symbiosis

While nitrogen is critical for all plants, they are unable to utilize organically bound nitrogen in soils. Therefore, the majority of plants obtain useable nitrogen through nitrogen fixing bacteria and the microbial decomposition of organic matter. In the majority of cases, symbiotic microorganisms directly furnish plant roots with inorganic forms of nitrogen. More than 80% of all land plants form intimate symbiotic relationships with root colonizing fungi. These common plant/fungal interactions have been defined largely through nutrient exchange, where the plant receives limiting soil nutrients, such as nitrogen, in exchange for plant derived carbon. Fungal endophytes are common plant colonizers. A number of these fungal species have a dual life cycle, meaning that they are not solely plant colonizers, but also saprophytes, insect pathogens, or plant pathogens. By using 15N labeled, Metarhizium infected, wax moth larvae (Galleria mellonella) in soil microcosms, I demonstrated that the common endophytic, insect pathogenic fungi Metarhizium spp. are able to infect living soil borne insects, and subsequently colonize plant roots and furnish ts plant host with useable, insect-derived nitrogen. In addition, I showed that another ecologically important, endophytic, insect pathogenic fungi, Beauveria bassiana, is able to transfer insect-derived nitrogen to its plant host. I demonstrated that these relationships between various plant species and endophytic, insect pathogenic fungi help to improve overall plant health. By using 13C-labeled CO2, added to airtight plant growth chambers, coupled with nuclear magnetic resosnance spectroscopy, I was able to track the movement of carbon from the atmosphere, into the plant, and finally into the root colonized fungal biomass. This indicates that Metarhizium exists in a symbiotic partnership with plants, where insect nitrogen is exchanged for plant carbon. Overall these studies provide the first evidence of nutrient exchange between an insect pathogenic fungus and plants, a relationship that has potentially useful implications on plant primary production, soil health, and overall ecosystem stability.

The Arabidopsis NPR1 Protein Is a Receptor for the Plant Defense Hormone Salicylic Acid

Systemic Acquired Resistance (SAR) is a type of plant systemic resistance occurring against a broad spectrum of pathogens. It can be activated in response to pathogen infection in the model plant Arabidopsis thaliana and many agriculturally important crops. Upon SAR activation, the infected plant undergoes transcriptional reprogramming, marked by the induction of a battery of defense genes, including Pathogenesis-related (PR) genes. Activation of the PR-1 gene serves as a molecular marker for the deployment of SAR. The accumulation of a defense hormone, salicylic acid (SA) is crucial for the infected plant to mount SAR. Increased cellular levels of SA lead to the downstream activation of the PR-1 gene, triggered by the combined action of the Non-expressor of Pathogenesis-related Gene 1 (NPR1) protein and the TGA II-clade transcription factor (namely TGA2). Despite the importance of SA, its receptor has remained elusive for decades. In this study, we demonstrated that in Arabidopsis the NPR1 protein is a receptor for SA. SA physically binds to the C-terminal transactivation domain of NPR1. The two cysteines (Cys521 and Cys529), which are important for NPR1’s coactivator function, within this transactivation domain are critical for the binding of SA to NPR1. The interaction between SA and NPR1 requires a transition metal, copper, as a cofactor. Our results also suggested a conformational change in NPR1 upon SA binding, releasing the C-terminal transactivation domain from the N-terminal autoinhibitory BTB/POZ domain. These results advance our understanding of the plant immune function, specifically related to the molecular mechanisms underlying SAR. The discovery of NPR1 as a SA receptor enables future chemical screening for small molecules that activate plant immune responses through their interaction with NPR1 or NPR1-like proteins in commercially important plants. This will help in identifying the next generation of non-biocidal pesticides.

Amibes à potentiel pathogène dans les unités dentaires

Il a été bien documenté que les différentes canalisations des unités de soins dentaires contiennent un épais biofilm. Ce biofilm est constitué entre autres de bactéries, mais aussi d’amibes. Certaines amibes ont un potentiel pathogène et peuvent causer des infections graves. Deux cas d’infections amibiennes et possiblement reliées aux unités dentaires ont retenu notre attention et sont à l’origine du présent projet. L’identification morphologique des amibes afin de déterminer si elles présentent un potentiel pathogène ou non est une tâche ardue, même pour les protozoologistes chevronnés. Nous avons donc utilisé la réaction de polymérase en chaîne (PCR) pour identifier les amibes. Des nouvelles amorces ont été élaborées pour détecter les amibes des genres Acanthamoeba ainsi que Naegleria. Des échantillons d’eau et de terre ont été prélevés dans l’environnement, et des échantillons d’eau et de biofilm ont été prélevés dans les unités dentaires. Une partie de chaque échantillon a été mise en culture selon une méthode améliorée pour une identification morphologique, et l’autre partie a été soumise à un PCR direct. Des Acanthamoebae et/ou des Naegleriae ont été détectées dans 100% des échantillons, mais les espèces varient d’un échantillon à l’autre. Des amibes à potentiel pathogènes sont détectables dans les unités dentaires ainsi que dans l’environnement, et celles-ci pourraient représenter un risque pour la santé de certains individus.

Étude du polymorphisme du gène majeur d’histocompatibilité de classe IIb (MHIIb) chez l’omble de fontaine (Salvelinus fontinalis)

Les molécules classiques du complexe majeur d’histocompatibilité de classe II (CMHII) sont des glycoprotéines de surface spécialisées dans la présentation de peptides, principalement dérivés de pathogènes extracellulaires, aux récepteurs des lymphocytes T CD4+ afin d’initier la réponse immunitaire adaptative. Elles sont encodées, avec celles du CMH de classe I, par les gènes les plus polymorphiques identifiés jusqu’à maintenant, avec plusieurs loci et une grande diversité allélique à chacun d’eux. De plus, le polymorphisme des gènes du CMHII n’est pas limité qu’aux séquences codantes. Il est également observé dans les promoteurs où on a démontré ses effets sur le niveau d’expression des gènes. La variation de la régulation d’un gène est considérée comme un facteur important et pour laquelle des modifications morphologiques, physiologiques et comportementales sont observées chez tous les organismes. Des séquences d’ADN répétées impliquées dans cette régulation ont été identifiées dans les régions non-codantes des génomes. D’un autre côté, la sélection par les pathogènes permettrait l’évolution et le maintien du polymorphisme des gènes du CMH chez les vertébrés. À ce sujet, plusieurs études ont montré l’implication de différents allèles du CMH dans la résistance ou la susceptibilité aux maladies. Cette étude avait pour objectifs de caractériser le polymorphisme du gène MHIIb chez l’omble de fontaine (Salvelinus fontinalis) et de documenter ses effets au niveau de la survie conférée par des allèles et/ou génotypes particuliers lors d’une infection, ainsi que sur la variation du niveau d’expression du gène dans différentes conditions. Dans une première partie, nous avons identifié un total de 6 allèles du gène MHIIb, désignés Safo-DAB*0101 à Safo-DAB*0601, qui montrent une grande similarité avec les séquences codantes provenant de poissons téléostéens et de l’humain. L’analyse des séquences du domaine b1 a permis de détecter l’effet d’une pression sélective positive pour maintenir le polymorphisme dans cette région de la molécule. Quatre de ces allèles ont été testés lors d’une expérience d’infection avec le pathogène Aeromonas salmonicida afin d’évaluer l’effet qu’ils pouvaient avoir sur la survie des poissons. Nous avons trouvé que l’allèle DAB*0101 était significativement associé à la résistance à la furonculose. En plus d’avoir été identifié chez les individus homozygotes pour cet allèle, l’effet a également été remarqué au niveau de la survie les poissons de génotype DAB*0101/*0201. À l’opposé, les facteurs de risque élevé obtenus pour les génotypes DAB*0201/*0301 et DAB*0301/*0401 suggèrent plutôt une association à la susceptibilité. Étant donné la faible fréquence à laquelle l’allèle DAB*0101 a été retrouvé dans la population, le modèle de la sélection dépendante de la fréquence pourrait expliquer l’avantage conféré par ce dernier et souligne l’importance de ce mécanisme pour le maintien du polymorphisme du gène MHIIb chez l’omble de fontaine. Dans une seconde partie, nous avons rapporté la présence d’un minisatellite polymorphique formé d’un motif de 32 nucléotides dans le second intron du gène MHIIb, et pour lequel un nombre exclusif de répétitions du motif a été associé à chaque allèle (69, 27, 20, 40, 19 et 25 répétitions pour les allèles DAB*0101 à DAB*0601 respectivement). L’expression relative de quatre allèles a été évaluée dans des poissons hétérozygotes aux températures de 6 ºC et 18 ºC. Les résultats indiquent que les allèles possédant un long minisatellite montrent une réduction de l’expression du gène d’un facteur 1,67 à 2,56 par rapport aux allèles qui en contiennent un court. De même, des allèles qui incluent des minisatellites de tailles similaires n’affichent pas de différence significative au niveau de l’abondance du transcrit aux deux températures. De plus, l’effet répressif associé aux longs minisatellites est amplifié à la température de 18 ºC dans des poissons de trois génotypes différents. Nous avons finalement observé une augmentation significative par un facteur 2,08 de l’expression totale du gène MHIIb à la température de 6 ºC. Ces résultats appuient l’implication des séquences d’ADN répétées dans la régulation de l’activité transcriptionnelle d’un gène et suggèrent qu’un minisatellite sensible aux différences de températures pourrait être soumis aux forces sélectives et jouer un rôle important dans l’expression de gènes et l’évolution des organismes poïkilothermes.