Clase06 - Beneficos · Se induce luego la expresión de genes asociados a la simbiosis (e.g., ERN1,...
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Interacciones Bióticas Plant
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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
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JEB
2012
Rizobios
Lim
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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
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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
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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
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Oldroyd, Ann Rev. Gen. 2011
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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
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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
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van Hulten et al., PNAS 2006
Priming
van Hulten et al., PNAS 2006
Priming
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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)
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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)
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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)
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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)
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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)
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