Estudio de los mecanismos de respuesta a la infección causada por la bacteria fitopatógena Pseudomonas syringae en la leguminosa modelo Lotus japonicus

• Autores: Bordenave, César Daniel
• Año de publicación: 2015
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis doctoral
• Colaborador/a o director/a de tesis: Menéndez, Ana Bernardina; Gárriz, Andrés
• Materia: LOTUS JAPONICUS; PSEUDOMONAS SYRINGAE; ESTRES BIOTICO; TRANSCRIPTOMICA; METABOLOMICA; LORE1; POLIAMINAS; LOTUS JAPONICUS; PSEUDOMONAS SYRINGAE; BIOTIC STRESS; TRANSCRIPTOMICS; METABOLOMICS; LORE1; POLYAMINES
• Institución: Universidad Nacional de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales

Lotus japonicus es una legumbre modelo ampliamente utilizada para el estudio de procesos importantes como la nodulación y la respuesta al estrés salino. Sin embargo, existen pocos estudios sobre la respuesta defensiva de esta especie contra microorganismos patógenos. Comprender como se protege esta especie modelo contra patógenos podría ayudar a desarrollar cultivares más tolerantes en especies de Lotus de relevancia agronómica, así como también en otros géneros de legumbres. Para poder dilucidar los mecanismos de defensa más importantes en esta leguminosa, en este trabajo se exploraron las principales respuestas de dos ecotipos fenotípicamente contrastantes, Miyakojima MG-20 y Gifu B-129, a la inoculación con la bacteria Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000. Las respuestas de defensaactivadas en ambos ecotipos fueron considerablemente diferentes. Así, en Miyakojima MG-20 se observó una interacción compatible caracterizada por una rápida multiplicación de la bacteria, acompañada por un descenso en la eficiencia del fotosistema II, la aparición de clorosis, desecación y defoliación, así como un moderado pero sostenido aumento en los niveles de especies reactivas del oxígeno (EROs). Estos fenómenos sólo fueron observados en los folíolos inoculados y no afectaron el desarrollo normal de la planta. Por su parte, en Gifu B-129 lainteracción fue incompatible, los síntomas fueron en general imperceptibles, labacteria fue incapaz de multiplicarse en los tejidos de la planta y existió un aumentonotable de las EROs durante las primeras horas luego de la inoculación con labacteria. A partir de estudios transcripcionales utilizando microarreglos de ADN, pudieron identificarse alrededor de 3000 genes regulados diferencialmente frente a la inoculación con la bacteria en el ecotipo Miyakojima MG-20 y alrededor de 300 genes en el ecotipo Gifu B-129. Además, se comparó la expresión génica basal deestas líneas, observándose diferencias en genes relacionados con estrés biótico yabiótico, metabolismo hormonal, estado redox y procesos fotosintéticos. Por otrolado se realizó un estudio del metaboloma, en el cual también se observó un comportamiento contrastante entre ambos ecotipos, detectándose un conjuntodiferente de metabolitos que se modifican frente a la inoculación con la bacteria. Integrando los resultados del transcriptoma y del metaboloma se pudieron identificar numerosas vías metabólicas afectadas de manera diferencial en respuesta al ataquebacteriano, lo que permite explicar las diferencias de comportamiento observadas entre ambos ecotipos. Entre estas vías se destacan el sistema de antioxidantes (ascorbato y glutatión), el metabolismo del ácido γ-aminobutírico, la síntesis ydegradación de componentes de la pared celular, la síntesis y degradación lípidos yel metabolismo hormonal. Posteriormente, sobre la base del análisis transcriptómico se seleccionaron distintas líneas mutantes insercionales del ecotipo Gifu B-129 para un conjunto de genes quepodrían jugar un rol importante en la defensa vegetal. La mayoría de tales líneasdemostró una tolerancia equivalente a la observada en la línea salvaje, sugiriendoque los genes mutados no son esenciales en la respuesta de defensa en estosecotipos. Sin embargo, una línea incapaz de expresar el gen de la enzima Poliamina Oxidasa I demostró una mayor tolerancia durante la patogénesis, lo que indicaríaque la expresión de este gen afecta negativamente la respuesta defensiva de laplanta. Este trabajo permitió describir de manera global las principales vías metabólicasreguladas en dos ecotipos de L. japonicus durante la respuesta a la bacteria P.syringae pv. tomato DC3000. Las diferencias entre las respuestas inducidas en el ecotipo Gifu B-129 (interacción incompatible) con las observadas en el ecotipo Miyakojima MG-20 (interacción compatible) permitieron discernir cuales son los mecanismos de defensa más efectivos entre los presentados por los ecotipos evaluados. Estos resultados podrían ser extrapolados a otras especies de leguminosas de interés agronómico.
Lotus japonicus is a model legume widely used for the study of important processessuch as nodulation and response to salt stress. However, there are few worksfocusing on the defensive response of this species against pathogenicmicroorganisms. Understanding how this model species responds against plantpathogens could help to develope more tolerant cultivars in agronomically important Lotus species as well as in other legume genera. In order to elucidate the most important defensive mechanisms in this legume, in thiswork it was explored the main responses of two phenotypically contrasting L.japonicus ecotypes, Miyakojima MG-20 and Gifu B-129, to the inoculation with thebacterial species Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000. The defensiveresponses activated in both ecotypes were considerably different. Thus, in Miyakojima MG-20 was observed a compatible interaction, characterized by a rapidmultiplication of the bacteria in infiltrated tissues, along with a decrease in theefficiency of the photosystem II, the appearance of chlorosis, desiccation anddefoliation, as well as a moderate but steady increase in the levels of reactive oxygenspecies (ROS). All these symptoms were observed only in the inoculated leaflets,and never affected the normal development of the plant. In contrast, the interactionwas incompatible in Gifu B-129 , where symptoms were rather imperceptible, thebacterium was unable to multiply in leaf tissues, and a critical increase in ROSaccumulation was observed during the first few hours after bacterial infiltration. Based on DNA microarrays, were identified about 3,000 differentially regulatedgenes, upon infiltration with the bacteria in Miyakojima MG-20, and about 300 genesof this type in Gifu B-129. Moreover, it was posible to compare the basal geneexpression between these lines, which showed differences in genes related to bioticand abiotic stresses, hormonal metabolism, redox state, and photosyntheticprocesses. A metabolomic study on these samples was also performed, revealingthat a different set of metabolites in each ecotype was modified in response to thebacteria. By integrating the transcriptomic and metabolomic data, several metabolicpathways affected differentially in response to bacterial attack were identified , whichhelps to explain the observed differences in behavior between both ecotypes. Among these pathways stand out those of the antioxidants system (ascorbate andglutathione), the γ-aminobutyric acid metabolism, the synthesis and degradation ofcell wall components, the synthesis and degradation of lipids, and hormonemetabolism. Finally, several insertional mutants of the Gifu B-129 ecotype were selected for a setof genes that could play an important role in plant defense. Most of them showed alevel of tolerance to the bacteria similar to that of the wild type, suggesting that thisgenes are not essentials in the defense response in these ecotypes. However, oneline defective in the Polyamine Oxidase I gene showed higher tolerance, indicatingthat the expression of this gene during the plant response to the bacterial attack.negatively affects the defense of the plant. This work globally describes the main metabolic pathways regulated in response to P. syringae pv. tomato DC3000 in two ecotypes of L. japonicus. The differencesbetween the responses triggered in the ecotype Gifu B-129 (incompatible interaction)and Miyakojima MG-20 (compatible interaction) let us to unravel the most effectivedefense mechanisms among those presented by the evaluated ecotypes. Theseresults could be extrapolated to other agronomical important legumes.
Fil: Bordenave, César Daniel. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.