Clase06 - Beneficos · Se induce luego la expresión de genes asociados a la simbiosis (e.g., ERN1,...

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Interacciones Bióticas

Plant

Marco general: efectos

Abioticstress

Plantneighbors

HerbivoresPathogens

Beneficialmicro-

organisms

Plant

Marco general: respuestas

Abioticstress

Plantneighbors

HerbivoresPathogens

Beneficialmicro-

organisms

Plant

Beneficialmicro-

organisms

Plant

Oldroyd, Nature 2013

Algunos grupos importantes:

Micorrizas

Endofitos

Rizobios

Rizobios

Rizobios

Bacterias del suelo capaces de fijar nitrógeno atmosférico al establecer relaciones simbióticas con leguminosas

Rizobios

Abd

el-L

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f, P

Sig

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ehav

JEB

2012

Rizobios

Lim

pens

& B

isse

ling,

CO

PB

200

3

Emerging root hairs exude flavonoid compounds, which attract

compatible rhizobia and stimulate them to produce nod factors (NF) .

The root hair deforms and forms a pocket, in which the rhizobia become

entrapped .

1

2

3

El proceso de infección y formación de nódulos en leguminosas

Ferg

uson

et a

l., J

IPB

201

0

Rizobios

Comienzan a dividirse algunas células de la corteza, y se

forma el canal de infección (infection thread, en rojo)

4 4

El canal de infección se ramifica en medio de las células de

la corteza en activa división

5 5

Nódulo maduro, en donde los rizobios ya se encuentran

diferenciados en bacterioides fijadores de nitrógeno

6 6

Popp & Ott, COPP 2011

Rizobios

Los nódulos pueden ser Determinados o

Indeterminados. Las divisiones iniciales en la planta

ocurren en diferentes tejidos (en la corteza en el caso

de los determinados, en el periciclo en el caso de los

indeterminados). En los nódulos indeterminados

maduros se distinguen cuatro zonas:

I: Zona meristemática

II: Zona de infección

III: Zona de fijación

IV: Zona de senescencia

Popp & Ott, COPP 2011

Rizobios

Modificado de Cesco et al., Plant Soil 2010

Alguna funciones de los flavonoides en la interacción con rizobios

Rizobios

Los rizobios liberan factores Nod

Quitina: polímero deN-acetil-glucosamina

Los factores Nod tienen distintos grupos asociados y un número y tipo variable de “decoraciones”, que le otorgan especificidad.

Antolín-Llovera, Ann Rev Phytopathol 2012

Anto

lín-L

love

ra, A

nn R

ev P

hyto

path

ol20

12

Los receptores tienen marcadas similitudes estructurales PGN: peptidogycanNF: Nod FactorMF: Myc Factor

Oldroyd, Nature 2013

Rizobios

Los factores Nod son percibidos por receptores de membrana en los pelos radiculares

Mod

ifica

dode

Old

royd

, Nat

ure

2013

La mayor parte de los receptores descriptos hasta el momento son del tipo LysM receptor-like kinases. (NFR5, NFR1)

En forma general, estos receptores reconocen lipo-quito-oligosacáridos (LCOs).

Estos compuestos constituyen las estructuras predominantes en la paredes de los hongos y en los peptidoglucanos de la envoltura bacteriana

Rizobios

La percepción de factores Nod induce la expresión de genes asociados a la simbiosis

Modificado de Singh & Parniske, COPP 2012

Uno de los componentes de la transducción de la señal es la oscilación en los niveles de Ca2+

(spiking), observable minutos después de la percepción.

Rizobios

The Poovaiah Laboratory, Washington State Universityhttp://molecularplants.wsu.edu/calcium/

Hair Nod factor-triggered calcium spikes

Rizobios

Las oscilaciones de Ca2+ ocurrirían por el “juego” entre canales y bombas

El canal de calcio aún no ha sido identificado. La bomba de Ca2+ MCA8 utiliza energía metabólica para transportar Ca2+ en contra de su gradiente electroquímico. Los canales de K+ CASTOR y POLLUX regularían la apertura del canal de Ca2+ (sería un “voltage-gated channel”) a través de cambios en el potencial de membrana, y permitirían balancear las cargas cuando ocurre el flujo de Ca2+.

Modificado de Oldroyd, Nature 2013

Rizobios

Se induce luego la expresión de genes asociados a la simbiosis (e.g., ERN1, NIN)

Molecular events associated with the early stages of nodulation.Legume roots initiate nodulation by exuding flavonoids into the rhizosphere. This attracts compatible rhizobia to the root and stimulates them to produce nodfactors (NF). NF is reported to be perceived at the epidermis by a leucine-rich repeat receptor-like kinase (LRR RLK) which triggers a number of downstreamevents involved in bacterial infection. Concomitantly, NF is also reported to be perceived by two LysM RLKs, which leads to the NF signaling cascade, cortical/pericycle cell divisions, and bacterial infection events. A mobile signal (possibly the phytohormone cytokinin) is presumed to relay NF perception fromthe epidermis to the cortex where it initiates cell divisions that give rise to the nodule primordia. The levels of many other hormones are also tightly controlledthroughout nodule organogenesis and have roles in regulating nodule initiation and development.

Rizobios

Ferguson et al., JIPB 2010

La expresión de genes y la regulación hormonal regulan la infección bacteriana (en epidermis) y la inducción del primordio nodular (en la corteza).

Rizobios

El canal de infección progresa y se ramifica en la zona cortical donde ya existe activa división celular

Jone

s, N

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07

Oldroyd, Ann Rev. Gen. 2011

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3

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Rizobios

Las bacterias se diferencian en bacterioides capaces de fijar nitrógeno

a) Nódulo determinado de soja.b) Nódulo indeterminado en Medigagoc) Ampliación de b)

FZ: fixation zoneNP: nodule parenchimaVBs: vascular bundlesM: meristematic zoneINV: invasion zoneIZ: interzoneSZ: senescence zoneICs: infected cellsUCs: uninfected cells

Urdvardi, Ann Rev. P. Biol 2013

Jone

s, N

atur

e 20

13

Urdvardi, Ann Rev. P. Biol 2013

Rizobios

Las redes de señalización que regulan la organogénesis de los nódulos y la infección son complejas

Ferguson & Mathesius, JPGR 2003

Rizobios

Oka-Kira et al., COPB 2006

AON

Autoregulación de la nodulación

Varios factores regulan el proceso de nodulación

Rizobios

Varios factores regulan el proceso de nodulación

Ferguson et al., JIPB 2010

AON

Existiría una señal sistémica (“Q”)*entre las raíces y la parte aérea.

Esta señal es percibida por un receptor LRR RLK.

Se induciría la acumulación y migración por floema de un inhibidor aún no caracterizado (SDI: shoot-derived inhibitor)

*Q: sería un péptido-señal de similares características que CLAVATA3/ESR (CLE)

Los nitratos también pueden inducir la acumulación de Q, regulando negativamente la nodulación.

Rizobios

Varios factores regulan el proceso de nodulación

Ferguson et al., JIPB 2010

AON

Los jasmonatos estarían involucrados en la AON

SDI sería regulado negativamente por JA.

En presencia de la señal sistémica (Q) el receptor activo regularía negativamente los niveles de JA, permitiendo de este modo la acumulación y migración hacia las raíces de SDI

Rizobios

Ferguson et al., JIPB 2010

AON M: mutantes del receptor (supernodulantes)

WT: genotipo salvaje

Experimentos con mutantes deficientes en el receptor LRR RLK evidencian el mecanismo de AON

Rizobios

JA

Varios factores regulan el proceso de nodulación

El JA promueve la acumulación de flavonoides, los que se encuentran involucrados en el reconocimiento planta-rizobio.

El JA promueve la expresión de genes nod en las bacterias

Modificado de Hause et al., Phytochem 2009

Rizobios

JA

Varios factores regulan el proceso de nodulación

Sin embargo, el JA también puede regular negativamente las oscilaciones de Ca2+

dependiendo de la concentración.

Altas concentraciones de JA pueden reprimir la expresión de genes, la formación de primordios nodulares y la infección bacteriana

Modificado de Hause et al., Phytochem 2009

Rizobios

JA

Varios factores regulan el proceso de nodulación

Sin embargo, el JA también puede regular negativamente las oscilaciones de Ca2+

dependiendo de la concentración.

Altas concentraciones de JA pueden reprimir la expresión de genes, la formación de primordios nodulares y la infección bacteriana

Modificado de Hause et al., Phytochem 2009

Entonces, ¿el JA promueve o inhibe la nodulación?

Rizobios

JA

Varios factores regulan el proceso de nodulación

Suzuki et al., PNAS 2011

Entonces, ¿el JA promueve o inhibe la nodulación?

El efecto del JA podría ser dosis-dependiente

Algunos grupos importantes:

Micorrizas

Endofitos

Rizobios

Micorrizas

Ectomicorrizas

Endomicorrizas

Micorrizas

Bonfante & Genre, Nature Comm 2010

AMF:arbuscularmycorrhizalfungi

Micorrizas

Oldroyd, Nature 2013

El proceso general guarda similitudes con la nodulación

Micorrizas

Hause et al., Phytochem 2009

En los primeros eventos de atracción entre las micorrizas y la planta están involucrados flavonoides y estrigolactonas.

Se muestran aquí los procesos comparativos entre micorrizas y rizobios

Micorrizas

García Garrido et al., Mycorrhiza 2009

La liberación de estrigolactonas(derivadas de tetraterpenos) desde la raíz induce la ramificación de las hifas del hongo. Este es el primer cambio morfológico pre-invasión, y un evento importante en determinar el grado de infección.

Cheng et al., Front Plant Sci. 2013

Las estrigolactonas se hidrolizan con facilidad, por lo que son inestables en el suelo. Esta característica genera un marcado gradiente en las cercanías de la raíz.

Micorrizas

Las micorrizas liberan compuestos

(Myc factors) que desencadenan

una serie de respuestas en la

planta (entre ellas la

ramificación). Estos factores son

lipo-quito-oligosacáridos (LCO),

muy similares a los factores Nod

liberados por los rizobios.

Oldroyd, Nature 2013

Bonfante & Requena, COPP 2011

Rizobios

Sieberer et al., Plant J 2012

Figure 2. Ca2+ spiking associated with AM fungal infection of M. truncatula outer root tissues. Modulations in calcium levels were recorded using the nuclear-localized cameleon NupYC2.1. Prominent cytoplasmic aggregations are highlighted in green.(a) High-frequency Ca2+ spiking is present in epidermal cell e1 during initial AM penetration of the root. At this stage, low-frequency spiking can be observed in the underlying cortical cell c1, in which the nucleus has migrated to the future site of hyphalentry.(b) High-frequency Ca2+ spiking is now present in cortical cell c1 as the AM hypha enters the cell within the PPA (pre-penetration apparatus) cytoplasmic bridge. At the same time, low-frequency spiking is visible in adjacent cell c2, in which the nucleus hasmigrated towards cell c1. Note that there is no longer any spiking in epidermal cell e1 once transcellular infection is complete.

Micorrizas

Genre et al., Plant Cell 2005

En las células de la epidermis, debajo del appressorium, ocurre la migración del núcleo y la reorganización del citoesqueleto y retículo endoplasmático que permiten la formación del “aparato pre-penetración” (PPA).

Existen mutantes incapaces de generar estas estructuras (dmi1, dmi2, dmi3 –”does’t make infections”). DMI1 probablemente codifique una canal iónico de membrana, DMI2 un receptor-like kinase con un dominio extracelular LRR, y DMI3 una kinasa dependiente de Ca/Calmodulina.

Medicago truncatula / Gigaspora gigantea

Micorrizas

Genre et al., Plant Cell 2005Genre et al., Plant Cell 2005

Formación del “aparato pre-penetración” (PPA).

Micorrizas

CSSP: Common Symbiosis Signalling Pathway Harrison, COPB 2012

Micorrizas

Bonfante & Genre, Nature Comm 2010

La percepción de los factores Mycinduce una serie de respuestas en la planta que permitirán la infección.

¿Suena conocido…?

Micorrizas

Micorrizas y rizobioscomparten una parte de la vía inicial de señalización:

Common SymbiosisSignalling Pathway(CSSP)

Hause et al., Phytochem 2009

Micorrizas

Micorrizas y rizobioscomparten una parte de la vía inicial de señalización:

Common SymbiosisSignalling Pathway(CSSP)

Maillet et al., Nature 2011

Micorrizas

Micorrizas y rizobioscomparten una parte de la vía inicial de señalización:

Common SymbiosisSignalling Pathway(CSSP)

Oldroyd, Nature 2013

Micorrizas

Dadas las numerosas similitudes y elementos en común entre las simbiosis de plantas con micorrizas y rizobios, se ha postulado que una deriva de la otra.

La simbiosis entre plantas y micorrizas ha coevolucionado desde hace ~450 Ma, mientras que la nodulación tiene una antigüedad aproximada de 60 Ma

Se ha postulado entonces que los rizobios han cooptado parte de la maquinaria asociada a microrrizas. Inclusive hay autores que proponen que la capacidad de los rizobios de sintetizar lipoquitooligosacáridos (LCO: factores Nod) se ha adquirido a través de transferencia horizontal de genes desde AMF.

Micorrizas

En forma reciente se ha propuesto que ambas interacciones (con rizobios y micorrizas) derivan de las respuestas a patógenos. La función primigenia de los factores Nod y Myc habrían sido, según esta línea de pensamiento, un mecanismo para evadir las respuestas inmunes de las plantas.

Liang et al., New Phytol 2014

Micorrizas

Micorrizas

Pozo et al., COPB 2007

JA

Los niveles endógenos de

JA son afectados

Micorrizas

Modificado de Hause et al., Phytochem 2009

JA

Los niveles endógenos de

JA son afectados, y la

aplicación de JA puede

modificar los niveles de

micorrizas.

Los efectos benéficos de las simbiosis con hongos y bacterias no se limitan al agua o los nutrientes

SAR, ISR, Priming…!

Priming

Pieterse, Nat Chem Biol 2009

Sin embargo también se han encontrado algunas evidencias que mostrarían que la simbiosis con AMF induce SAR e ISR.

Algunos autores han propuesto entonces que, al comienzo de la simbiosis, ocurren eventos tempranos transitorios en donde se induce el priming de las respuestas SAR.Estadios más avanzados de la simbiosis inducen ISR, probablemente inducidos por bacterias de la rizósfera.

La mayor parte de la evidencia muestra que la simbiosis con rizobios induce el priming de las defensas asociadas a la vía del JA (ISR)

Priming

Cameron et al., TiPS 2013

Priming

Mod

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Con

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et a

l., M

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I 200

6

van Hulten et al., PNAS 2006

Priming

van Hulten et al., PNAS 2006

Priming

Priming

Izq: Donor plants – Der: Receiver plants

A las “receiver” se las inocula con el patógeno 65 h después que a las “donor”.

GM: Glomus mosseae (mycorrhizal network)

Song

et a

l., P

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10

Izq: Donor plants – Der: Receiver plants

A las “receiver” se las inocula con el patógeno 65 h después que a las “donor”.

GM: Glomus mosseae (mycorrhizal network)

Expresión de PR1 en plantas receptoras sanas (sin patógeno)

Song

et a

l., P

losO

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Izq: Donor plants – Der: Receiver plants

A las “receiver” se las inocula con el patógeno 65 h después que a las “donor”.

GM: Glomus mosseae (mycorrhizal network)

Expresión de PR1 en plantas receptoras sanas (sin patógeno)

Song

et a

l., P

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Izq: Donor plants – Der: Receiver plants

A las “receiver” se las inocula con el patógeno 65 h después que a las “donor”.

GM: Glomus mosseae (mycorrhizal network)

Expresión de PR1 en plantas receptoras sanas (sin patógeno)

Song

et a

l., P

losO

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Izq: Donor plants – Der: Receiver plants

A las “receiver” se las inocula con el patógeno 65 h después que a las “donor”.

GM: Glomus mosseae (mycorrhizal network)

Expresión de PR1 en plantas receptoras sanas (sin patógeno)

Song

et a

l., P

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