clase05 2013 - patogenos · pieterse 2009 nat chem biol. defensas contra patógenos-constitutivas...

Interacciones Bióticas

Plant

Marco general: efectos

Abioticstress

Plantneighbors

HerbivoresPathogens

Beneficialmicro-

organisms

Plant

Marco general: respuestas

Abioticstress

Plantneighbors

HerbivoresPathogens

Beneficialmicro-

organisms

Plant

Pathogens

Plant

Interacciones Planta-Patógeno

Patógenos

Baker Science 2007

Patógenos

Los patógenos exitosos son capaces de:1) Suprimir or evadir las defensas basales del huesped;

2) Interferir con el metabolismo celular de la célula huesped, alterándolopara su propio provecho

Ladera en California desvastada porPhytophthora ramorum (Sudden Oak Death)

La Gran Hambruna de Irlanda fue provocada por Phytophthora infestans

Patógenos

-Biótrofos: obtienen nutrientes de tejido vivoEj: Perenospora parasitica

-Necrótrofos: obtienen nutrientes de tejido muerto o moribundoEj: Alternaria brassicicola, Botrytis cinerea

-HemibiótrofosEj: Pseudomonas syringae

“Necrotrophs first destroy host cells, often through the production of phytotoxins, after which they feed on the contents. Biotrophs derive nutrients fromliving host tissues, commonly through specialized feeding structures (haustoria) that invaginate the host cell without disrupting it. Many plant pathogensdisplay both lifestyles, depending on the stage of their life cycle, and are called hemibiotrophs.” Pieterse 2009 Nat Chem Biol

Defensas contra patógenos

- Constitutivas (pre-invasión)

- Inducidas (post-invasión)

Defensas contra patógenos: Constitutivas

Barreras físicas: Involucran propiedades de la superficie de la planta, esto es, cutícula, estomas y paredes celulares

Barreras químicas: Involucran compuestos tales como FITOANTICIPINAS que tienen actividad antimicrobiana y DEFENSINAS que interfieren con la nutrición del patógeno y retardan el desarrollo

Illustrated glossary of plant pathology www.apsnet.org/

Fungi Bacteria

Aspectos físicos: ¿Cómo ingresan los patógenos al apoplasto?

Fitoanticipinas: se producen constitutivamente y por ende están presentes antes del ataque del patógeno

B-glucósidos: glucósidos cianogénicosglucósidos benzoxazinoidesavenocósidosglucosinolatos

Aspectos químicos

Defensas contra patógenos: Inducidas

El sistema inmune de las plantas

Definiciones de:

PTI: PAMP-triggered immunity (definición de PAMP)

ETS: effector-triggered susceptibility (definición de “efector”)

ETI: effector-triggered immunity (definición de genes “R”)

“A broad spectrum of inducible plant defenses can be recruited to limit pathogen ingress. For this post-invasive line of defense, plants have evolved sophisticated strategies to perceive their attacker and to translate this perception into an effective immuneresponse. First, the primary immune response recognizes common features of microbial pathogens, such as flagellin, chitin, glycoproteins and lipopolysaccharides. These microbial determinants are referred to as pathogen-associated molecular patterns(PAMPs). PAMPs activate pattern-recognition receptors (PRRs), which in turn initiate diverse downstream signaling events thatultimately result in the activation of a basal resistance that is called PAMP-triggered immunity (PTI). During the co-evolutionary armsrace between pathogens and their host plants, pathogens acquired effector molecules that are transported into the host cell tosuppress PTI and promote virulence of the pathogen, resulting in effector-triggered susceptibility (ETS). In turn, plants acquiredresistance (R) proteins that recognize these attacker-specific effectors, resulting in a secondary immune response called effector-triggered immunity (ETI)”. Pieterse 2009 Nat Chem Biol

Figure 1: Simplified model of the regulatory network controlling the plant defense transcriptome. Receptor-mediated recognition of PAMPs (pathogen-associated molecular patterns) triggers signaling processes resulting in massive transcriptional reprogramming and activation of defense reactions (PAMP-triggered immunity; PTI). PAMP-dependent signals target transcription factors (TFs) that control the defense transcriptome. Pathogen-derived effector (E) proteins intercept plant defense signals attenuating PTI. R proteins recognize effectors by direct or indirect mechanisms and boost defense reactions resulting in strong effector-triggered immunity (ETI).



“(a) Upon pathogen attack, pathogen-associated molecular patterns (PAMPs) activate pattern-recognition receptors (PRRs) in the host, resulting in a downstream signaling cascade that leads to PAMP-triggered immunity (PTI)19. (b) Virulent pathogenshave acquired effectors (purple stars) that suppress PTI, resulting in effector-triggered susceptibility (ETS). (c) In turn, plantshave acquired resistance (R) proteins that recognize these attacker-specific effectors, resulting in a secondary immune response called effector-triggered immunity (ETI).Pieterse 2009 Nat Chem Biol

PTI ETI

Efectiva sólo contra biótrofos

ETS

Espinosa & AlfanoCellular Microbiology 6 (11), 1027-1040.

Las bacterias patógenas de plantas secretan proteínasllamadas " factores de virulencia“ , o efectores, directamente

dentro de la célula huesped

Bacteria use a sophisticated “injection” apparatus, called a Type III SecretionSystem, to deliver virulence effector proteins directly in the cytoplasm of the host cell.

Bacterial type III effectors disable host surveillance by suppressing innate immunity.

Los efectores de hongos y oomicetes son menos conocidos

Algunos actuan en la matriz extracelular;

otros dentro de la célula



Ejemplos de:

PAMP (o MAMP): “Pathogen- (o microbe-) associated molecular patters”: flagelina(porción conservada de la proteína que constituye el flagelo), EF-Tu (uno de los factores de elongación requeridos para traducción de proteínas en procariotas), heptoglucano de oomicetes, xilanasas fúngicas, etc. (MAMP es una descripción más genérica porque incluye organismos no patogénicos)

Efectores, E: moléculas que suprimen PTI. Productos codificados por los genes Avrde los patógenos. También se incluye en esta categoría a moléculas pequeñas que imitan hormonas vegetales o alteran el metabolismo hormonal del huésped para beneficio del patógeno: coronatina, GA, citokininas, micro-RNAs



Receptores involucrados en la activación del sistema inmune

PAMP (o MAMP) y E tienen receptores específicos en la superficie y el interior de la célula

PAMP: reconocidos por receptores PRR (pattern recognition receptors) ubicados en la MP. P.ej, el receptor de flagelina es FLS2, el de EF-Tu es EFR. Ambos son receptores quinasas (LRR-receptor kinase)

E: reconocidos por rango muy diverso de receptores ubicados en el citoplasma (internos) y unos pocos en la MP. Son receptores NB-LRR. Frecuentemente, los genes que codifican estos receptores se denominan genes “R”. (Cada R confiere resistencia razas específicas de patógeno – aquellas razas que llevan el efector o factor de virulencia que activa R ). El reconocimiento es probablemente indirecto en la mayor parte de los casos (Guard hypothesis), aunque hay ejemplos de interacción directa entre proteínas Avr y R Ver fig. siguiente (LRR=leucine rich repeat; NB = nucleotide binding)

Visualizar ubicación general de receptores de PAMP y E (PRR y R).

Panstruga Cell 2009

Visualizar ubicación general de receptores de PAMP y E (PRR y R).


El sistema inmune de las plantasReceptores involucrados en la activación del sistema inmune

Los PRR (receptores de PAMP) son receptores quinasa. Activación de la cascada de fosforilación regula la expresión génica (interactuando con factores de transcripción WRKY y otros)

(C) Time course of MBP kinase activityin mock-treated cells (control) or in cells treated with 100 nM flg22 or 100 nM elf18. Gels were loaded with equalamounts of protein and no additionalradiolabeled bands were observed in the parts of the gel clipped from thefigure. (D) MBP kinase activity after 10 min oftreatment with 100nMelf18, 100nMflg22, or a combination of bothpeptides. Results show means andstandard deviations of the radioactivityin the 48 kDa band from extracts of n = 3 replicate treatments.

Zipfel et al. 2006, Cell

flg22= flagelinaelf18= EF-Tu


El sistema inmune de las plantasReceptores involucrados en la activación del sistema inmune

Los receptores NB-LRR (receptores de E) se mueven al núcleo y regulan la expresióngénica (interactuando con factores de transcripción WRKY y otros)



Las respuestas inmunes (defensas) activadas por PTI y ETIpueden ser parecidas

Estas defensas frecuentemente incluyen:

Fortificación de la pared celular vía síntesis de calosa y lignina

Producción de metabolitos secundarios y proteínas con actividad antimicrobiana

Acumulación de proteínas PR (pathogenesis-related), como quitinasas y glucanasasque degradan las paredes celulares de hongos y oomicetes.


Fortificación de la pared celular en respuesta a tratamiento con flagelina. La calosa es un polímero de glucanos.

Callose deposition in seedlings treated withflg22. A. thaliana seedlings of ecotypes La-erand Ws-0 were incubated in the presence orabsence of flg22. After treatment for 24 h, leaves and cotyledons were stained for callose by aniline blue and fluorescence wasphotographed under UV light.NOTA: el ecotipo WS-0 carece del receptor de flagelinaGomez_Gomez et al. 1999, Plant J


Expresión de genes de defensa en respuesta a tratamiento con flagelina

NOTA: el ecotipo WS-0 carece del receptor de flagelinaGomez_Gomez et al. 1999, Plant J



Algunas proteínas PR son secretadas al apoplasto, al igual que otros compuestos antimicrobianos

Recognition of conserved MAMPs by PRRstriggers intracellular signaling via mitogen-activated protein kinase (MAPK) cascades(MAPKKK, MAPKK, MAPK). This resultsultimately in transcriptional activation ofdefense genes by plant-specific transcriptionalregulators including members of the WRKY superfamily. Execution of the immuneresponse relies in part on the exocytosispathway leading to vesicle-associated andSNARE protein-mediated focal secretion ofdefense-related proteins including PR-1. A “toxic load” of antimicrobial cargo such as thatderived from the biochemical activation ofnontoxic precursors can also be translocatedto the extracellular space by members of theATP-binding cassette (ABC) transporterfamily.

Panstruga et al. 2009 Cell

Snyder and Nicholson, Science (1990)

Sorghum produces phytoalexins that are 3-deoxyanthocyanidin flavonoids. The compounds inhibit the growth of phytopathogenic fungi in vitro. Thephytoalexins appear to be synthesized in subcellular inclusions within a hostepidermal cell that is about to be penetrated by a fungus. This site-restrictedsynthesis suggests that the phytoalexin response occurs initially in the firstcells that come under fungal attack and is not simply a response of cells thatsurround the original infection site.


El sistema inmune de las plantasAlgunas proteínas PR son secretadas al apoplasto, al igual que otros compuestos antimicrobianos



Las respuestas inmunes (defensas) activadas por PTI y ETIpueden ser parecidas

Estas defensas frecuentemente incluyen también:

Explosión oxidativa (disparada por PTI). Es una respuesta muy rápida.

Explosión oxidativa y muerte celular programada (reacción hipersensible; disparada por ETI). Respuesta de más intensidad que tiende a aislar al patógeno en una zona sin tejido vivo (sólo eficiente contra biótrofos).


Explosión oxidativa disparada por PTIen tejidos foliares de Arabidopsis tratados con flagelina (flg22) y con una versión inactiva (flg15).

Oxidative burst in the leaf tissues ofecotype La-er and Ws-0.Luminescence of A. thaliana leaf slicesin a solution with luminol andperoxidase after treatment with 1 mMflg22, 20 mM flg15R.mel. or aftercontrol treatment. Light emission at thevery beginning of the experiments iscaused by phosphorescence of thegreen tissue.(a) Leaf tissue of ecotype La-er.(b) Leaf tissue of ecotype Ws-0

NOTA: el ecotipo WS-0 carece del receptor de flagelinaGomez_Gomez et al. 1999, Plant J


Las defensas disparadas por el sistema PTI son efectivas frenando el crecimiento de patógenos biótrofos o hemibiótrofos

(E) EF-Tu and flagellin limit growth ofPseudomonas syringae pv tomato (Pst) DC3000 in Arabidopsis.

Leaves were pressure infiltrated with100 nM flg22, 100 nM elf26, or bothpeptides either 24 hr before the PstDC3000 (105 cfu/ml). Results show bacteria (cfu) in leaves 4 days post-infection as means and standard errorsfrom n = 5 leaves. The dashed lineindicates cfu extractable 1 hr afterinoculation (0 dpi).

(notar escala log)

Zipfel et al. 2006 Cell

flg22= flagelinaelf18= EF-Tu


La reacción hipersensible disparada por el sistema ETI es efectiva frenando el crecimiento de patógenos biótrofos o hemibiótrofos

Ejemplo de respuesta hipersensible en cultivares resistentes a Xanthomonaseuvesicatoria (a la derecha). El cv de la izquierda no presenta HR y la bacteria causa reducción de crecimiento y desfoliación.

Abajo: síntomas de daño a campo en cvs sensibles.

Univ. of Florida, IFAS Extension

Visualizar ubicación general de receptores de PAMP y E. Visualizar productos finales (respuestas inmunes) generadas por PTI y ETI


La regulación de las respuestas inmunes (defensas) depende de hormonas

El reconocimiento de patógenos dispara también la síntesis y acumulación de hormonas de defensa, que coordinan la expresión de respuestas destinadas a limitar el daño y combatir el ataque.

El tipo de hormona sintetizada en general depende de la naturaleza del atacante.

SA, JA, ET (ver cuadrante inferior izq de figura siguiente para control de la síntesis de SA en rta a percepción de Efectores)

Los patógenos biótrofos son generalmente sensibles a defensas activadas por SA.

Los patógenos necrótrofos son generalmente sensibles a respuestas activadas por JA y ET

Visualizar sitios de producción de hormonas y respuestas que controlan


Al igual que las defensas inducidas en respuestas al ataque de insectos,la defensas inducidas contra patógenos son sistémicas

Definición de SAR e ISR

SAR (systemic acquired resistance): resistencia de amplio espectro (en particular contra biótrofos), sistémica, asociada con la expresión de proteínas PR (con función antimicrobiana).

ISR (induced systemic resistance): disparada por microorganismos “benéficos” de suelo, como micorrizas y algunas bacterias. Sistémica. Asociada con el “priming” (sensibilización) de sistemas de defensa inducibles por JA/ET. No involucra la producción de poteínas PR



SAR, continuación

Disparada por PTI o ETI (activación de receptores intracelulares de E – esto es ETI -es particularmente efectiva).

involucra la acumulación de SA en el sitio primario de infección y en el resto de la planta. Es efectiva contra un espectro amplio de patógenos (particularmente contra biótrofos).

La proteína NPR1 (un co-factor de transcripción) es esencial para la percepción de SA. Se mueve al núcleo y dispara la expresión de genes de defensa (proteínas antimicrobianas PR y proteínas necesarias para la secreción) (ver centro figura general)

La naturaleza de la señal sistémica es desconocida (MeSA es una posibilidad)

Visualizar percepción de SA y Respuestas activadas

Cao Plant Cell 1994

npr = non expressorof PR genes

Costos de no producir defensas

INA= análogo del salicílico

cpr= constitutiveexpresser PR geneBowling et al. 1994. Plant Cell

Costos de producir defensas constitutivamente

INA= análogo del salicílico



ISR, continuación

Disparada por patrones moleculares de organismos no patógenos (e.g. análogo a PTI).

Requiere JA y ET

Es efectiva contra un espectro amplio de patógenos sensibles a defensas disparadas por JA-ET (sp. necrótrofos) e insectos (recordar que JA es la principal hormona de defensa frente a insectos).

Señal sistémica: JA, ET, otros


Schematic representation of systemicallyinduced immune responses. Systemicacquired resistance (SAR) is typicallyactivated in healthy systemic tissues of locallyinfected plants. Upon pathogen infection,a mobile signal travels through the vascular system to activate defense responses in distal tissues. Salicylic acid (SA) is an essentialsignal molecule for the onset of SAR, as it isrequired for the activation of a large set ofgenes that encode pathogenesis-relatedproteins (PRs) with antimicrobial properties. Induced systemic resistance (ISR) is typicallyactivated upon colonization of plant roots by beneficial microorganisms. Like SAR, a longdistance signal travels through thevascular system to activate systemicimmunity in above-ground plant parts. ISR iscommonly regulated by jasmonic acid (JA)-and ethylene (ET)-dependent signalingpathways and is typically not associated withthe direct activation of PR genes. Instead,ISR-expressing plants are primed foraccelerated JA- and ET-dependent geneexpression, which becomes evident only afterpathogen attack. Both SAR and ISR are effective against a broad spectrum of virulentplant pathogens.Pieterse et al. 2009, Nat Chem Biol

Defensas contra patógenos: InducidasLas vías homonales de SA, JA, ET interactúan en forma sinérgica o antagónica

Networking by phytohormones in the plant immune response. Cross-communicationbetween hormone signalingpathways provides the plantwith a large regulatorycapacity that may tailor itsdefense response to differenttypes of attackers. On theother hand, pathogens such as P. syringae produce effectorproteins (for example, coronatine, HopI1 andAvrRpt2) that manipulate thesignaling network to suppresshost immune responses andpromote virulence. The SA, JA and ET signaling pathwaysrepresent the backbone of thedefense signaling network, with other hormonal signalingpathways feeding into it. Onlythose signal transductioncomponents that are relevantto this review are shown.⊥, negative effect; purple stars, positive effect.

Pieterse et al. 2009, Nat ChemBiol

Defensas contra patógenos: InducidasLas vías homonales de SA, JA, ET interactúan en forma sinérgica o antagónica

El balance entre estas interacciones depende del tipo de receptores originalmente activados y define el tipo de defensa que la célula activa (contra necrótrofos –JA/ET) o contra biótrofos(SA)

Defensas contra patógenos: InducidasLas vías homonales de SA, JA, ET pueden ser moduladas por señales de competencia

JA: ver clase anterior

ET: la producción de ET es estimulada por FR.

Pierik et al. 2004 Plant Physiol


SA: la respuesta SAR está comprometida en mutantes phyAphyB

Figure 7. SAR is compromised in phyAphyB. A, Bacterial growthquantification to directly assess SAR. Wild-type andphotoreceptor mutant plants were pretreated with 10 mM MgCl2or Psm (OD 5 0.01) in three primary leaves (primary treatment); 2 d later three systemic leaves located directly above theprimary leaves were inoculated with Psm (OD 5 0.002). Bacterial growth in systemic leaves was assessed 3 dpi after thesecondary inoculation. Bars represent mean values (6 SD)of colony forming units (cfu) per square centimeter from at leastfive parallel samples consisting each of three leaf discs. Asterisks denote statistically significant differences in systemicgrowth between Psm-and MgCl2-pretreated plants of a particular line (*, P , 0.05, **, P , 0.001; Student’s t test). B, Systemic accumulation of free SA. Primary treatments wereperformed as described in A. Untreated upper leaves wereharvested 2 d later for SA analysis. Bars represent mean values(6 SD) of three independent samples, each sample consisting ofsix leaves from two different plants. Asterisks denote pathogentreatment with statistically significant differences to therespective MgCl2 control (*, P , 0.05; Student’s t test). Light bars, MgCl2 pretreatment; dark bars, Psm preinoculation.

Griebel y Zeider, Plant Physiol 2008


Mutantes con shade avoidance constitutivo son más sensibles a Pseudomonas.

Faigón-Soverna et al. 2006 Plant Cell

CSA1: TIR-NB-LRR, homólogo cercano a RPS4

Bonus tracks

1) Insect eggs suppress plant defenceagainst chewing herbivores

Little et al., Plant Physiology 2007

Muerte celular

Deposiciónde calosa

Acumulación de H2O2Deposiciónde calosa

Little et al., Plant Physiology 2007

Activación del gen de

defensa PR1

Líneas transgénicas de Arabidopsis con el gen reportero PR1::GUS

Bruessow et al., Plant J 2010

P. r

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Crecimiento de larvas

Bruessow et al., Plant J 2010

Bonus tracks

2) Herbivore exploits orally secreted bacteria to suppress plant defenses

Chung et al., PNAS 2013

Leptinotarsa decemlineata

(Colorado potato beetle)


Live images of larva depositing oral secretions during herbivory. A larva of Colorado potato beetle is depositing oral secretions at the feeding site of a leaflet. Oral secretions are labeled with green fluorescent dye

Las larvas depositan secreciones orales sobre las hojas al alimentarse


Larvas de L. decemlineata fueron alimentadas con una dieta artificial que contenía (AB+) o no contenía (AB-) antibióticos

Luego las larvas se pusieron a comer sobre hojas de tomate. Una hora

después se prepararon muestras de hojas para SEM

Dieta previa:AB-

Dieta previa:AB+


Niveles de expresión de genes marcadores de la vía del JA (CysPI) y del SA (PR-1)

en plantas control (Con) o con herbivoría de larvas previamente alimentadas con dieta sin antibiótico (AB-) o con antibiótico (AB+)


Crecimiento de larvas neonatas al alimentarse sobre hojas que previamente habían

sido dañadas por otras larvas o mantenidas intactas (Con). Este último grupo de larvas había sido previamente alimentado con dieta conteniendo (AB+) o no (AB-)

antibióticos.

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