Bacterial chemoperception during the plant infection process

Cerna Vargas, Jean Paul (2021). Bacterial chemoperception during the plant infection process. Thesis (Doctoral), E.T.S. de Ingeniería Agronómica, Alimentaria y de Biosistemas (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.68073.

Description

Title: Bacterial chemoperception during the plant infection process
Author/s:
  • Cerna Vargas, Jean Paul
Contributor/s:
  • López Solanilla, Emilia A.
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: April 2021
Subjects:
Faculty: E.T.S. de Ingeniería Agronómica, Alimentaria y de Biosistemas (UPM)
Department: Biotecnología - Biología Vegetal
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

Las bacterias habitan diversos ecosistemas. Para sobrevivir y adaptarse al entorno, han desarrollado mecanismos de percepción que les permite monitorizar las condiciones externas e internas. Los sistemas de transducción son los encargados de unir la percepción con una respuesta adecuada. La quimiotaxis es un sistema de quimiopercepción complejo que consiste en la percepción de gradientes, lo cual desencadena una transducción de señales que deriva en el control del flagelo y movimiento bacteriano. Los quimiorreceptores son las proteínas implicadas en la percepción de señales, las cuales son diversas: aminoácidos, poliaminas, ácidos orgánicos, osmolaridad, temperatura y pH, entre otras. Las bacterias fitopatógenas entran en los tejidos de la planta a través de aperturas naturales, como estomas, o heridas. La quimiotaxis permite la detección de los sitios de entrada en estas bacterias, jugando un papel fundamental en las primeras etapas de la infección. La información respecto a los sistemas de quimiopercepción de las bacterias fitopatógenas, el perfil de ligando de sus quimiorreceptores y su papel en virulencia es escasa. En esta tesis se ha estudiado el papel de la quimiotaxis en la virulencia de dos bacterias modelo, Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000 (PsPto) y Dickeya dadantii 3937 (Dd3937). PsPto es el agente responsable de la peca bacteriana del tomate y Dd3937 de la podredumbre blanda en patata y otros cultivos. Las enfermedades causadas por estas bacterias tienen un profundo impacto económico. Estas bacterias pueden sobrevivir como epífitas sobre las superficies de la planta y cuando las condiciones son favorables perciben señales de la planta que facilitan su entrada, iniciándose el proceso de infección. Para profundizar en el conocimiento sobre los sistemas de quimiopercepción de estas bacterias, cada cluster de genes de quimiotaxis ha sido asignado a un sistema específico. Del mismo modo, atendiendo a los datos disponibles y a su estructura, se ha propuesto la asignación de los quimiorreceptores a vías de quimiopercepción concretas. El quimiorreceptor PsPto-PscA de PsPto fue caracterizado en base a su similitud de secuencia con el quimiorreceptor PscA de P. syringae pv. actinidae, el cual se une a D/L-Aspártico y L-Glutámico. Estos L-aminoácidos son los más abundantes en el apoplasto de tomate. Como se preveía, PsPto-PscA se une a los tres ligandos de PscA. La percepción de estos ligandos juega un papel en el swarming bacteriano, formación de biofilm y la regulación de los niveles del segundo mensajero c-di-GMP. La cepa mutada en este quimiorreceptor presenta una menor virulencia en tomate. Además, la saturación de este quimiorreceptor con D-Asp redujo la virulencia bacteriana en tres órdenes de magnitud, pudiendo ser un candidato para el diseño de estrategias de protección de cultivos. El quimiorreceptor ABF-20167 de Dd3937 fue caracterizado por su posible papel en la percepción de la hormona vegetal ácido jasmónico (JA por sus siglas en inglés). Esta hormona es producida por la planta en respuesta a heridas, desencadenando una repuesta de defensa. Los ensayos de quimiotaxis realizados muestran que ABF-20167 está implicado en la quimioatracción hacia JA y coronatina, una toxina bacteriana con una estructura similar a JA que se une a los mismos receptores en la planta. Los ensayos de entrada en plantas silvestres muestran que la cepa mutante en este quimiorreceptor presenta una menor entrada. Sin embargo, la entrada es similar a la de la cepa silvestre en líneas transgénicas de estas plantas que producen menos JA en respuesta a heridas. Los ensayos de unión a ligando descartan un reconocimiento directo de JA y coronatina por parte del quimiorreceptor y los análisis de expresión génica muestran que la presencia de JA regula la expresión de genes implicados en quimiotaxis, resistencia a estrés y virulencia. En resumen, este trabajo ha contribuido a incrementar la información sobre los sistemas de quimiopercepción de estas dos bacterias y al estudio del mecanismo de percepción de 2 quimioreceptores, cuya función está relacionada con el control de la virulencia. ----------ABSTRACT---------- Bacteria are ubiquitous, inhabiting a wide variety of ecosystems. In order to survive and adapt to the environment, they have evolved perception mechanisms to monitor external and internal conditions. Signal transduction systems link bacterial perception to a proper bacterial response. Chemotaxis is a complex chemosensory system that consist on the perception of signal gradients, which triggers a signal transduction that derives in the control of the flagellar motor and bacterial movement. Chemoreceptors are the proteins involved in signal perception. Signals perceived are diverse, including amino acids, polyamines, organic acids, changes in osmolarity, temperature and pH, among others. Phytopathogenic bacteria enter the plant tissues through natural openings, like stomata, and wounds. Chemotaxis enables the detection of entry sites in these bacteria, playing a key role in the early stages of infection. Information regarding the chemosensory systems of phytopathogenic bacteria is scarce, as well as the ligand profile of their chemoreceptors and the role of the signals perceived in bacterial virulence. In this thesis, we have studied the role of chemotaxis in virulence of two model bacteria, Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000 (PsPto) and Dickeya dadantii 3937 (Dd3937). PsPto is the causal agent of bacterial speck in tomato and Dd3937 the causal agent of soft rot in potato and other crops. The diseases caused by these two bacteria produce an important economic impact. These bacteria can survive as epiphytes on the plant surfaces and when conditions are favorable, perception of signals derived from the plant enables their entry into the plant, starting the infection process. To gain insight into the chemosensory systems of these bacteria, each chemotaxis gene cluster has been assigned to a specific system. Considering available data, the assignment of chemoreceptors to specific chemosensory systems has been proposed. Chemoreceptor PsPto-PscA of PsPto was characterized based on sequence similarity with chemoreceptor PscA of P. syringae pv. actinidae, which binds D/L-Aspartic and L-Glutamic. These L-amino acids are the most abundant amino acids in tomato apoplast. As expected, PsPto-PscA binds these three ligands. Interestingly, this perception also influences bacterial swarming, biofilm formation and is involved in the regulation of the levels of the second messenger c-di-GMP. Mutant strain of this receptor presents an impaired virulence to tomato. In addition, when this chemoreceptor was saturated with D-Asp, bacterial virulence was reduced in three orders of magnitude, suggesting D-Asp could be used as part of an interference strategy to protect crops. Chemoreceptor ABF-20167 of Dd3937 was characterized based on previous data that showed a possible role in the perception of the plant hormone jasmonic acid (JA). This hormone is produced by the plant in response to wounds, triggering a defensive response. Chemotaxis assays show ABF-20167 is involved in the chemoattraction towards JA and coronatine, a bacterial toxin with a similar structure to JA that binds to the plant receptor of JA. Entry assays in hosts of Dd3937 show a reduced entry of the mutant strain. However, this differential entry between strains was abolished in transgenic lines of these plants that present a diminished production of JA in response to wounds. Ligand binding assays performed discard a direct recognition of JA by the chemoreceptor and the analysis of gene expression shows this phytohormone regulates the expression of genes involved in chemotaxis, stressful conditions response and virulence. Overall, this research work has contributed to increase the knowledge regarding the chemosensory systems of these two bacteria and to the analysis of the perception mechanism of 2 chemoreceptors involved in virulence control in PsPto and Dd3937.

Funding Projects

TypeCodeAcronymLeaderTitle
Government of SpainBES-2016-076452UnspecifiedUnspecifiedFormación de Personal Investigador (FPI)
Government of SpainAGL2015-63851-RUnspecifiedUnspecifiedUnspecified
Government of SpainRTI2018-095222-B100UnspecifiedUnspecifiedUnspecified
Government of SpainBIO2016-76779-PUnspecifiedUnspecifiedUnspecified

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Item ID: 68073
DC Identifier: https://oa.upm.es/68073/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:68073
DOI: 10.20868/UPM.thesis.68073
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 14 Sep 2021 12:03
Last Modified: 28 Sep 2021 04:57
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