AGROBIOTECNOLOGÍA Curso 2018 BACTERIAS … Resistencia a... · - Se gatillan los mecanismos...
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AGROBIOTECNOLOGÍA
Curso 2018
BACTERIAS FITOPATOGÉNICAS
Adrián Vojnov
Instituto de Ciencia y Tecnología "Dr. Cesar Milstein"-
CONICET
Fundación Pablo Cassará
Sumario
Resistencia
a bacterias
fitopatógenas
Bacterias fitopatógenas Regulación de factores de virulencia
Estrategias para desarrollar resistencia a
bacterias mediante ingeniería genética
- Genes de resistencia
- Quorum quenching Referencias
Interacciones planta-bacteria
La planta y su sistema defensivo
Interacciones planta-bacteria
Resistencia
a bacterias
fitopatógenas
Modificado de: Keen, Nat. Biotechnol., 1999.
Interacciones
planta-bacteria
Resistencia
a bacterias
fitopatógenas
Eventos de señalización
que regulan la interacción planta-bacteria
- La planta atacada no puede proveer los requerimientos
. necesarios para la multiplicación del patógeno (resistencia
. de no-hospedante)
- La planta posee defensas estructurales o bioquímicas
. preformadas. Sólo los patógenos especializados
. completan una infección exitosa
- Se gatillan los mecanismos defensivos inducibles de la
. planta y el patógeno resulta restringido en la zona inicial
. de la infección (resistencia específica)
- Las condiciones externas cambian y el patógeno muere
. antes de llegar a una etapa en que la infección es
. irreversible
- Las condiciones externas son desfavorables
- Las defensas preformadas son inadecuadas
- La planta no detecta al patógeno y por ende no se producen
. respuestas defensivas inducidas (o se producen tardíamente)
• Se produce enfermedad cuando:
La interacción
planta-bacteria
no siempre
determina el
desarrollo de
una enfermedad
Resistencia
a bacterias
fitopatógenas
• No se produce enfermedad cuando:
La especificidad
del patógeno
bacteriano y de
los genes de
resistencia de
la planta
determinan
diferentes tipos
de interacción
Resistencia
a bacterias
fitopatógenas
Tomado de: Agrios, Plant Pathology, 1997.
Para que exista resistencia (incompatibilidad) se requiere un gen Avr
del patógeno y un gen R de la planta, ambos dominantes. En presencia
de los alelos recesivos ocurre la enfermedad (compatibilidad)
El modelo de resistencia “gen por gen” (Flor, ca. 1940) El modelo gen
por gen explica
los casos de
compatibilidad de
incompatibilidad
planta-patógeno
Resistencia
a bacterias
fitopatógenas
Modificado de: Keen, Ann. Rev. of Gen., 1990.
La planta y su sistema defensivo
Resistencia
a bacterias
fitopatógenas
El sistema inmune en plantas
1) Inmunidad inducida por moléculas asociadas al patógeno (PTI):
Receptores de membrana (PRRs) que reconocen MAMPS o PAMPs. Ej.
Flagelina.
2) Inmunidad inducida por efectores del patógeno (ETI):
-Directo reconocimiento a través de NB-LRR proteínas (R)
ETI es una respuesta tipo PTI pero acelerada y amplificada que induce
resistencia y en general HR
Modelo de zigzag que cuantifica la respuesta de defensa
Jones and Dangl, 2006 nature. 444: 323
Localización
de proteínas
de resistencia
y esquema
de sus
dominios
funcionales
Resistencia
a bacterias
fitopatógenas Adaptado de: Hammond-Kosack and Parker, Curr. Opin. in Biotechnol., 2003.
Modelo de interacción proteína R/factor de avirulencia:
hipótesis de la “proteína guardiana”
Adaptado de: Loh et al., Curr. Opin. in Biotechnol., 2002.
Interacción
Respuesta Hipersensible (HR) y Resistencia Sistémica Adquirida (SAR)
en el sistema de genes RPS2-avrRPt2/RPM1-avrRPM1
La planta y su sistema defensivo
Adaptado de: Mackey et al., Cell, 2003.
Procesos defensivos inmediatos, locales y sistémicos
comprendidos en una respuesta inducible
Respuesta
defensiva
- Engrosamiento de la pared celular
- Inducción de genes involucrados en la síntesis
de metabolitos secundarios
- Síntesis de tioninas
- Síntesis de proteínas relacionadas con la defensa
a patógenos
- Síntesis de ácido salicilico Inducción de Resistencia
Sistémica Adquirida (SAR)
Resistencia
a bacterias
fitopatógenas
Las respuestas
defensivas
inducibles por
patógenos
comprenden
diversos
mecanismos
moleculares
Adaptado de: Lamb et al., Ann. Rev. of Plant Physiol. and Plant Mol. Biol., 1997.
Genes involucrados en resistencia local a patógenos
Adaptado de: Hammond-Kosack and Parker, Curr. Opin. in Biotechnol., 2003.
Adaptado de: Hammond-Kosack and Parker, Curr. Opin. in Biotechnol., 2003.
Genes involucrados en resistencia sistémica a patógenos
Las Bacterias y los PAMPs (pathogen-
associated molecular pattern) Inducen el cierre
estomático
Bacterias y PAMPs
Bacterias fitopatogenas
Bacterias fitopatógenas
Resistencia
a bacterias
fitopatógenas
Las TOP 10
bacterias
Fitopatógena
s segun MPP
Resistencia
a bacterias
fitopatógenas
Mansfield et al., Mol Plant Pathol. 2012 Aug;13(6):614-629.
Pseudomonas syringae pv.
tomato
Mansfield et al., Mol Plant Pathol.
2012 Aug;13(6):614-629.
Ralstonia solanacearum
Mansfield et al., Mol Plant Pathol. 2012 Aug;13(6):614-629.
Agrobacterium tumefaciens
Mansfield et al., Mol Plant Pathol. 2012 Aug;13(6):614-629.
Xanthomonas oryzae (oryzae)
Mansfield et al., Mol Plant Pathol. 2012 Aug;13(6):614-629.
Xanthomonas campestris pathovars
Mansfield et al., Mol Plant Pathol. 2012 Aug;13(6):614-629.
XANTHOMONAS AXONOPODIS
Xanthomonas axonopodis pv. manihotis
Mansfield et al., Mol Plant Pathol. 2012 Aug;13(6):614-629.
Infección por Xanthomonas axonopodis (cancro de los cítricos)
Resistencia
a bacterias
fitopatógenas Tomado de: Daniels. IRL Press, 1993.
Síntomas de cancrosis en fruto, hoja y ramas de un Citrus.
Mansfield et al., Mol Plant Pathol. 2012 ;13(:614-629.
http://www.atlasplantpathogenicbacteria.it/Erwini
a%20amylovora.pdf
Erwinia amylovora
Dickeya (dadantii and solani))
Mansfield et al., Mol Plant Pathol. 2012 Aug;13(6):614-629.
Candidatus Liberibacter-Huanglongbing
Diaphorina citri
Xylella fastidiosa
Mansfield et al., Mol Plant Pathol. 2012 Aug;13(6):614-629.
Principales componentes de la ultraestructura
de una bacteria fitopatógena típica
Esquema de
una bacteria
fitopatógena
Resistencia
a bacterias
fitopatógenas Adaptado de: Llacer et al., Patología Vegetal, 1996.
Microscopía electrónica de barrido de células
de Pseudomas syringae adheridas a la
superficie de un fruto de peral. Pueden
observarse las fimbrias que sirven como
elementos de unión.
500
nm
Microscopía
electrónica
de una
célula de
Pseudomonas
con flagelos
lofotricos
Microscopía
electrónica
de una
célula de
Xhantomonas
con un flagelo
polar
Bacterias fitopatógenas
Tomado de: Llacer et al., Patología Vegetal, 1996.
Ciclo biológico
de una bacteria
fitopatógena
con fase epífita
Resistencia
a bacterias
fitopatógenas
Tomado de: Llacer et al., Patología Vegetal, 1996.
Pseudomonas syringae pv. morsprunorum exudando
de los estomatas de hojas de cerezo infectadas
Microscopía de barrido de la superficie
del envés de una hoja de peral.
Se observan numerosas bacterias
colonizandola cavidad subestomática
Ingreso y dispersión de fitobacterias por aperturas naturales
Bacterias fitopatógenas observadas al microscopio de barrido
2 m
Tomado de: Llacer et al., Patología Vegetal, 1996. Tomado de: Agrios, Plant pathology, 1997.
Microscopía electrónica de una sección longitudinal (A)
y transversal (B) de Pseudomonas syringae pv tabaci
en el espacio intercelular del mesófilode hojas de tabaco.
Microscopía electrónica de Xanthomonas
campestris colonizando una hoja
de Brassica. Las bacterias están
generalmente rodeadas de un polisacárido
extracelular (EPS) y proliferan en estrecho
contacto con las paredes celulares (CW)
La mayor parte de las bacterias fitopatógenas se acumula en el espacio extracelular o en el tejido vascular
A B A B
Micrografías de bacterias fitopatógenas
Tomado de: Agrios, Plant pathology, 1997.
SIDEROFOROS
EXOPOLISACARIDOS
EXOENZIMAS
BACTERIOCINAS
FITOHORMONAS
GENES
hrp
FITOTOXINAS
BACTERIA
Factores bacterianos requeridos
para la patogenicidad
Sistemas de secreción en bacterias gram negativas
Genes hrp
Büttner D, Bonas U EMBO J. 2002 Oct 15;21(20):5313-22.
Genes hrp
Büttner D, Bonas U EMBO J. 2002 Oct 15;21(20):5313-22.
Conocidos efectores de Xanthomonas y otros fitopatogenos
Sabine Kay and Ulla Bonas. Current Opinion in Microbiology 2009, 12:37–43
Sabine Kay and Ulla Bonas. Current Opinion in Microbiology 2009, 12:37–43
Código de unión al ADN de los efectores TAL
Heidi Scholze and Jens Boch. 2010. Virulence 1:5, 428-432
Las Bacterias y los PAMPs (pathogen-
associated molecular pattern) Inducen el cierre
estomático
Bender et al., MICROBIOLOGY AND MOLECULAR BIOLOGY REVIEWS,1999, p. 266–292
Fitotoxinas producidas por Pseudomonas spp
-Las células guardianas pueden percibir a las bacterias y para ello el
receptor FLS2
-Para evitar la respuesta inmune que involucra a las células guardianas la
bacteria produce factores de virulencia específicos que le permiten reabrir
los estomas como una estrategia importante de patogenicidad.
-Los estomas, como parte de un sistema inmune integral, actúan como
barreras de infecciones bacterianas.
Los estomas entonces….
Regulación de factores de virulencia
Resistencia
a bacterias
fitopatógenas
Quorum sensing
• Mecanismo de comunicación comunitario detectado
. para diversas especies de bacterias
• Capacidad de los microorganismos de percibir y
. responder a la densidad poblacional a través de la
. producción de moléculas difusibles de reducido peso
. molecular
Moléculas señal: acil-homoserin lactonas (AHSLs)
Un gran número
de bacterias
Gram– se
comunican
sintetizando,
secretando y
respondiendo a
compuestos
difusibles
Resistencia
a bacterias
fitopatógenas
Regulación génica dependiente de la densidad poblacional
El incremento de una población bacteriana determina una
elevada concentración de factores difusibles
Modificado de: Fuqua et al., Curr. Opin. in Microbiol. 1998.
Modelo simplificado de la transducción
de señales en quorum sensing
Célula bacteriana: proteína I (azul), responsable de la síntesis de las señales
difusibles de acil-homoserin lactona (A-HSL; óvalos verdes). La proteína R
(rojo), sufre un cambio conformacional cuando se une a la señal A-HSL; actúa
entonces como regulador transcripcional, alterando su afinidad por secuencias
promotoras específicas de los genes regulados por HSLs (“lux” box) .
El mecanismo
de quorum
sensing es
mediado por
moleculas
difusibles
como las acil-
homoserin
lactonas
Resistencia
a bacterias
fitopatógenas
Modificado de: Loh et al., Curr. Opin. in Plant Biol. 2002.
Regulación de factores de virulencia
en Ralstonia solanacearum
Modificado de: Scel, Annu. Rev. Phytopathol.,2000.
Componentes
de la red
sensorial de
regulación
en Ralstonia
solanacearum
Resistencia
a bacterias
fitopatógenas
Regulación en Xanthomonas campestris
Gentileza de J. Maxwell Dow
Otros sistemas de regulación de virulencia en bacterias
Autoinduccion de DSF sintesis
De
Factores de virulencia
Baja produccion de DSF
No sintesis de factores de virulencia
Alta densidad celular
DSF
HisK
HD-GYP
H-
D-
D- Rec
RpfC
RpfG
HisK
HPt
Rec
HD-GYP
H-
D-
H-
D- Rec
RpfC
RpfG
RpfF
Baja densidad celular
No/bajo DSF
DSF
HPt Rec
H
RpfF
Sínthesis de enzimas extracelulares ,
síntesis de EPS
Formación de biofilm
Motility
HD-GYP
D- Rec RpfG
di-GMP Cíclico
di-GMP Cíclico
Formación o dispersión
de Biofilm
Degradación enzimática
Reduce los niveles de di-GMP cíclico
Ryan et al 2006. PNAS 103: 1123-1134.
Exopolisacáridos
Xantano
Glucano cíclico b-1,2
Estructura del Xantano
Cepa silvestre Cepa mutada
Evaluación de síntomas
D
Days after inoculations
Ba
cte
ria
l g
row
th (
Lo
g c
fu/c
m2)
0 1 2 3 4 3
4
5
6
7
8
9
8004
8397
8396
Ba
cte
ria
l g
row
th
(L
og
cfu
/mg
fre
sh
we
igh
t)
2 3 4 0
4
1
2
3
8004
8397
8396
Days after inoculations
A
B
C D
El xantano son requeridos para la infectividad de Xanthomonas en N. benthamiana y
Arabidopsis
Xantano water
24 hours later Cepa mutada Cepa mutada
Evaluación de síntomas
Bac
teri
al g
row
th (
Lo
g c
fu/c
m2)
3
4
Days after inoculations
4 0
Bac
teri
al g
row
th
(L
og
cfu
/mg
fre
sh
we
igh
t)
Days after inoculations
0
4
1
2
3
4 2
5
6
7
8
9 water+8004
xanthan+8004
water+8397
xanthan+8397
water+8396
xanthan+8396
water+8004
xanthan+8004
water+8397
xanthan+8397
water+8396
xanthan+8396
Xantano induce susceptibilidad a Xcc en
N. benthamiana yArabidopsis
Cepa silvestre EPS defective mutant
H2O
Xantano
El Xantano Suprime la deposicion Calosa
Yun et al., 2006. Plant Physiology 141:178-87
• El Xantano induce susceptibilidad en la planta
mediante la supresión de la deposición Calosa
• La respuesta asociada a la pared celular parece
ser una barrera la infección de Xanthomonas
Yun et al., 2006. Plant Physiology 141:178-87
ORDEN-DESORDEN
Estructura ordenada: Hélices rígidas
Estructura desordenada: Hélices flexibles
Grupos ACETILO
Favorecen la estructura ordenada
Interacciona con el backbone: uniones no covalentes
Estabilizan la molécula de xantano.
Grupos PIRUVATO
Cargas negativas
Repulsión con residuos GlcAc
Su remoción favorece una estructura ordenada y moléculas más compactas.
XANTANO
Estructura-Función
Glucano cíclico b-1,2 en
Xanthomonas
Glucano Agua
24 hours later Cepa silvestre Cepa silvestre
Evaluación de síntomas
El Glucano cíclico b-(1,2) induce susceptibilidad en la planta
Wild type Mutant
Evaluación de síntomas
ndvB+
Days after inoculations
Bacte
rial g
row
th (
Lo
g c
fu/c
m2)
4
5
6
7
8
1 2 3 4 5 0
8004 ndvB-
ndvB+
8004 ndvB- ndvB+
Hours
PR1
rRNA
Wild type ndvB-
6 12 24 48 6 12 24 48 6 12 24 48
La mutante ndvB posee reducida virulencia
Rigano et al., Plant Cell. 2007. (6):2077-89
Glucano Agua
ndvB ndvB ndvB ndvB
local local systemic systemic
Pre-treatmento con glucano : efecto local and sistémico
Water Glucan
Local Local Systemic Systemic
PR1
rRNA
Water-treated
plants
Glucan-treated
plants
Cyclic b-(1,2)-Glucan Acts in Systemic Suppression of Plant Immune
Responses
Rigano et al., Plant Cell. 2007. (6):2077-89
14C
(cp
m/c
m2)
200
300
400
500
600
700
800
Incubation times (hours)
0
20
40
60
80
100
120
0 0,5 6 12 24 48
Infiltrated leaves Distant leaves
La movilización del glucano en la planta induce susceptibilidad sistémica
14C-Glucano
Bacteria: organismo unicelular
Biofilm de bacterias: comunidad
•Biofilm
Ventajas de hacer un biofilm:
• Se protegen del medio ambiente (matriz)
• Disponen mas fácilmente de los nutrientes
• Cooperación entre especies (microconsorcio; sintrofismo)
• Adquisición de nuevas características genéticas
Estadios en el desarrollo de un biofilm bacteriano
Sauer 2003. Genome biology 4: 219
•Microscopio confocal •Lab-Tek® Chamber Slides
•Biofilm de Xanthomonas estudiado utilizando microscopia confocal
•Wt MM
•Day 5
Xanthomonas axonopodis pv. citri
gum prt Genes biosíntesis DSF
Slater et al., Mol Microbiol. 2000 38(5):986-1003.
Regulación de factores de virulencia en
Xanthomonas campestris
RpfG
H
RpfC
eng
gum prt Genes de virulencia rpfF rpfB
Genes de biosíntesis de DSF
- +
Estímulo ambiental?
DSF
¿DSF?
MI
ME
H
D
P D
RpfH
Día 2 Día 4
Xcc wt
rpfF
rpfC
Cepa silvestre
Cepa EPS-
Cepa silvestre Cepa defectiva en la
produccion
ee EPS
Xanthomonas citri
Flagella structure in Gran negative bacteria
(flgE)
(fliC)
Confocal microscopy analysis of biofilm
Malamud et al, 2011
Xac
(XY)
Mgum
B
(XY)
Proyección ZX
Proyección ZY
Proyección ZY
Proyección ZX
WT
0
2
4
6
8
0 1 2 3 4 7
WT
MgumB
Days after inoculation
0 1 2 3 4 7
0
0
C
8
Po
pu
lati
on
siz
e
(lo
g c
fu/c
m2)
2
4
6
Xac
Supervivencia epifítica
Biofilm en superficie de la
hoja
Rigano et al, Mol Plant Microbe Interact.
2007
Biofilm en el cancro
Rigano et al Molecular Plant-Microbe Interaccion, 2007
In vitro In vivo
Florencia Malamud
Rafael Homem
Alexandre Morais do Amaral
CNPq-CONICET
collaborative grant
Analisis de adesión de las mutantes por el
método de cristal violeta
Malamud et al, Microbiology 2013 Sep;159(Pt 9):1911-9
La mayoría de las mutantes están reducidas
en virulencia
Malamud et al, Microbiology. 2013 Sep;159(Pt 9):1911-9
La Motilidad es necesaria en el desarrollo
de un biofilm maduro
Swimming Swarming/
Sliding
Malamud, et al, Microbiology. 2013 Sep;159(Pt 9):1911-9
Caracterización de la mutante hrpM
Wt 306 hrpM c-hrpM
Malamud et al Mol Plant Pathol. 2012 Dec;13(9):1010-8
El gen hrpM codifica la glucano
sintetasa
ß-1,2 glucano
ß-1,2 glucano
Malamud et al Mol Plant Pathol. 2012 Dec;13(9):1010-8
La mutante hrpM esta reducida en la formacion de biofilm y patogenicidad
Malamud et al Mol Plant Pathol. 2012 Dec;13(9):1010-8
Caracterización de la mutante
ntrC
ntrC posee reducida capacidad
en desarrollar biofilm y
quimiotaxis
ntrC esta reducida en virulencia
dependiendo del modo de inoculación
La formacion de un biofilm maduro requiere:
•Expresión de genes regulados por rpf/DSF y producción de
xantano
•Xantano es importante en la formación de biofilm, en el
crecimiento epifitico y dentro de los cancros.
•La movilidad dependiente del flagelo es requerida en la formación
del biofilm maduro.
•El glucano cíclico ß-1,2 es importante en la formacion biofilm
•NtrC regula la sintesis de flagelo, quimiotaxis y motilidad
Estrategias para desarrollar resistencia a bacterias mediante ingeniería genética
Resistencia
a bacterias
fitopatógenas
Cre
cim
ien
to b
acte
ria
no
[lo
g u
fc/c
m2)]
Días después de la inoculación
Control Transgénico BS2
Xcv (+ avrBS2) Xcv (+ avrBS2)
La expresión del gen BS2 en tomate confiere
resistencia a Xanthomonas campestris pv vesicatoria
Tomado de: Tai et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1999.
Transformación de arroz con el gen de resistencia Xa21
Resistencia
a bacterias
fitopatógenas
Tomado de: Zhang et al., Nature Biotech. 2000.
C
control
transgénicas
control
transgénicas
Resistencia a la
infección de
Xanthomonas oryzae pv.
oryzae en plantas
transformadas con el
gen Xa21
A: cultivar Minghui 63-12
B: cultivar IR72-82
La interferencia
de la
comunicación
entre bacterias
es una posible
estrategia
de resistencia
antimicrobiana
Posibles blancos y estrategias para interferir en la
comunicación entre bacterias (quorum quenching)
Resistencia
a bacterias
fitopatógenas Modificado de: Loh et al., Curr. Opin. in Plant Biol. 2002.
Mecanismos que afectan la regulación
mediada por homoserin lactonas
Reconocen las A - HSLs
producidas por otros org.
Homólogos de proteína Lux - R
No producen A - HSLs
Salmonella enterica
( patógeno humano )
Organismos A - HSLs oportunistas
Afectan sistema de quorum
sensing
Diferentes compuestos Plantas superiores
( arroz , arveja, etc)
Se unen a receptores de A - HSLs
Inhiben quorum sensing
Furanonas halogenadas Delisea pulchra
Moléculas imitadoras de las A - HSLs
Degrada A - HSLs A - HSLs lactonasa
Gen aiiA
Bacillus sp. 240B1
Degrada A - HSLs Actividad aminoacilasa Variovax paradoxus
Función Molécula Organismo
Enzimas degradadoras de A- - HSLs
Modificado de: Loh et al., Curr. Opin. in Plant Biol. 2002.
Tomado de: Dong et al., Nature, 2001.
Transformación de plantas de papa con el gen
de acil homoserin lactonasa (aiiA) de Bacillus spp.
Cortes transversales de tubérculos de papa
inoculados con Erwinia carotovora.
A la izquierda: tubérculo de planta no transformada.
A la derecha: tubérculo de planta transformada con el
gen aiiA.
Inoculación de hojas con Erwinia carotovora SCG1.
Arriba: hojas de plantas de tabaco transformadas con el gen aiiA
Abajo: hojas de plantas de tabaco control no transformadas
Tomado de: Mae et al., MPMI, 2001.
Las plantas
que expresan
N-acil-homo
serin lactona
exhiben
mayor
resistencia
a Erwinia
carotovora
Resistencia
a bacterias
fitopatógenas
A BA B
A: detalle de una hoja
de una planta
transgénica infectada
con Erwinia carotovora
B: hoja de una planta
luego de la infección
Porcentajes de
infección observados
para dos líneas
transgénicas (barras
verde y anaranjada) y
de una planta control,
no transgénica (barra
violeta).
1. Carmona, M.J., Molina, A., Fernández, J.A., López-Fando, J. J. and
García Olmedo, F. Expression of the thionin gene from barley in tobacco
confers enhanced resistance to bacterial pathogens. The Plant Journal,
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Expression of an antimicrobial peptide via the chloroplast genome to
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manipulating bacterial Quorum-sensing. Annals of Botany, 89:245-248,
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producing the bacterial pheromone N-acyl-homoserine lactone exhibit
enhanced resistance to the bacterial phytopathogen Erwinia carotovora.
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Referencias
Resistencia
a bacterias
fitopatógenas