Crosstalk between phosphate signaling pathways and immune responses in plants

Abstract

Les plantes s’enfronten constantment a estressos abiòtics i biòtics dels quals han estat estudiats majoritàriament de forma individual tot i que un estrès podria afectar la resposta de la planta enfront d’un altre estrès. S’ha demostrat que la resposta immune de les plantes pot regular postranscripcionalment mitjançant l’activitat dels microRNAs (miARNs). Hi ha poca informació disponible sobre els miARN que participen en la interacció entre les vies de senyalització induïdes per patògens i la senyalització per nutrients en les plantes. El fòsfor és un nutrient essencial per al creixement i desenvolupament de les plantes, assimilable en forma de fosfat inorgànic (Pi). L’ús abusiu de fertilitzants basats en Pi ha portat a un excés de Pi en molts ecosistemes. A nivell molecular, s’ha realitzat un gran esforç per comprendre com les plantes s’adapten a les condicions limitants de Pi a través de l’anomenada “Phosphate Starvation Response” (PSR). El tema principal d’aquesta tesi es centra en la investigació de la interacció que hi ha entre l’homeòstasi del Pi i la resposta immune en Arabidopsis (Capítol I i Capítol II) i l’arròs (Capítol III). El capítol I descriu la funció de miR399 i el seu gen diana PHO2 (PHOSPHATE2) en l’homeòstasi del fosfat i la resistència a malalties en Arabidopsis. El creixement de plantes en alt Pi, la sobreexpressió de miR399 i la mutació de el gen PHO2, condueix a un major contingut de Pi i a una major resistència a P. cucumerina i C. higginsianum. Aquesta resistència ve acompanyada d’una major producció de ROS, una major expressió de gens relacionats amb l’àcid salicílic (SA) i àcid jasmònic (JA) i majors nivells de SA i JA en aquestes plantes. També s’ha observat una regulació oposada de les dues branques de la via de senyalització de l’JA, les branques ERF1/PDF1.2 i MYC2/VSP2, en plantes d’alt contingut en Pi. Aquestes troballes recolzen que miR399 exerceix un paper positiu en la regulació de la resposta immune en Arabidopsis. El capítol II descriu l’impacte d’alterar l’expressió de MIR827 i el seu gen diana NLA (NITROGEN LIMITATION ADAPTATION) en la resposta de defensa en plantes d’Arabidopsis. Línies sobreexpresoras de l’miR827 i el mutant nla sobreacumulaven fosfat i van ser més resistents a la infecció per P. cucumerina. Les plantes nla i les plantes d’Arabidopsis crescudes en alt fosfat mostren una major deposició de callosa i producció de ROS. En absència d’infecció, els gens de les vies de senyalització de SA i JA s’indueixen en les plantes nla en comparació amb plantes de tipus salvatge, així com l’acumulació de SA i JA i la fitoalexina camalexina. Aquests resultats recolzen que NLA regula negativament les respostes de defensa en Arabidopsis. El capítol III descriu la contribució de miR827 en la regulació de l’homeòstasi del Pi i la resistència a malalties en arròs. Línies mutants per miR827 editades amb la tecnologia CRISPR / CAS9 juntament amb plantes sobreexpresoras de miR827 es van utilitzar en assajos enfront de Magnaporthe oryzae. En comparació amb les plantes de tipus silvestre, les plantes CRISPR-miR827 i les plantes d’arròs sobreexpresoras del miR827 van mostrar un contingut de Pi més baix i més alt, respectivament, i una major i menor resistència enfront de M. oryzae. La tècnica de 31P-HR-MAS, va permetre detectar diferències en la distribució de Pi entre vacúol i citosol per a totes les plantes mutants. Aquestes troballes demostren que no només el contingut total de Pi, sinó també l’alteració en la distribució subcel·lular de Pi podria impactar en la resistència a la infecció pel fong M. oryzae en arròs.

Las plantas se enfrentan constantemente a estreses abióticos y bióticos los cuales han sido estudiados mayoritariamente de forma individual aun cuando un estrés podría afectar la respuesta de la planta frente a otro estrés. Se ha demostrado que la respuesta inmune de las plantas puede regularse postranscripcionalmente mediante la actividad de los microARNs (miARNs). Existe poca información disponible sobre los miARN que participan en la interacción entre las vías de señalización inducidas por patógenos y la señalización por nutrientes en las plantas. El fósforo es un nutriente esencial para el crecimiento y desarrollo de las plantas, asimilable en forma de fosfato inorgánico (Pi). El uso abusivo de fertilizantes basados en Pi ha llevado a un exceso de Pi en muchos ecosistemas. A nivel molecular, se ha realizado un gran esfuerzo para comprender cómo las plantas se adaptan a las condiciones limitantes de Pi a través de la llamada “Phosphate Starvation Response” (PSR). El tema principal de esta tesis se centra en la investigación de la interacción que existe entre la homeostasis del Pi y la respuesta inmune en Arabidopsis (Capítulo I y Capítulo II) y el arroz (Capítulo III). El Capítulo I describe la función de miR399 y su gen diana PHO2 (PHOSPHATE2) en la homeostasis del fosfato y la resistencia a enfermedades en Arabidopsis. El crecimiento de plantas en alto Pi, la sobreexpresión de miR399 y la mutación del gen PHO2, conduce a un mayor contenido de Pi y a una mayor resistencia a P. cucumerina y C. higginsianum. Esta resistencia viene acompañada de una mayor producción de ROS, una mayor expresión de genes relacionados con el ácido salicílico (SA) y ácido jasmónico (JA) y mayores niveles de SA y JA en estas plantas. También se ha observado una regulación opuesta de las dos ramas de la vía de señalización del JA, las ramas ERF1/PDF1.2 y MYC2/VSP2, en plantas de alto contenido en Pi. Estos hallazgos respaldan que miR399 desempeña un papel positivo en la regulación de la respuesta inmune en Arabidopsis. El Capítulo II describe el impacto de alterar la expresión de MIR827 y su gen diana NLA (NITROGEN LIMITATION ADAPTATION) en la respuesta de defensa en plantas de Arabidopsis. Líneas sobreexpresoras del miR827 y el mutante nla sobreacumularon fosfato y fueron más resistentes a la infección por P. cucumerina. Las plantas nla y las plantas de Arabidopsis crecidas en alto fosfato muestran una mayor deposición de callosa y producción de ROS. En ausencia de infección, los genes de las vías de señalización de SA y JA se inducen en las plantas nla en comparación con plantas de tipo salvaje, así como la acumulación de SA y JA y la fitoalexina camalexina. Estos resultados apoyan que NLA regula negativamente las respuestas de defensa en Arabidopsis. El Capítulo III describe la contribución de miR827 en la regulación de la homeostasis del Pi y la resistencia a enfermedades en arroz. Líneas mutantes para miR827 editadas con la tecnología CRISPR/Cas9 junto con plantas sobreexpresoras de miR827 se utilizaron en ensayos frente a Magnaporthe oryzae. En comparación con las plantas de tipo silvestre, las plantas CRISPR-miR827 y las plantas de arroz sobreexpresoras del miR827 mostraron un contenido de Pi más bajo y más alto, respectivamente, y una mayor y menor resistencia frente a M. oryzae. La técnica de 31P-HR-MAS, permitió detectar diferencias en la distribución de Pi entre vacuola y citosol para todas las plantas mutantes. Estos hallazgos demuestran que no solo el contenido total de Pi, sino también la alteración en la distribución subcelular de Pi podría impactar en la resistencia a la infección por el hongo M. oryzae en arroz.

In nature, plants are constantly confronted to abiotic and biotic stresses. Research carried out to understand the plant response to biotic and abiotic stress has mainly concentrated on individual stresses. Notoriously, the plant defense response to a particular stress might have a positive or negative effects in the response to other type of stress. Regarding biotic stresses, evidences support that plant immune responses can be posttranscriptionally regulated by the activity of microRNAs (miRNAs) but limited information is available on miRNAs participating in the crosstalk between pathogen-induced signaling pathways and nutrient signaling in plants. Phosphorus is an essential nutrient for plant growth and development, which is acquire from the soil in the form of inorganic phosphate (Pi). The low bioavailability of Pi in agricultural soils represents a limiting factor for plant growth. As a consequence, Pi fertilizers are routinely used in modern agriculture to optimize crop yields, leading to a scenario of Pi excess in many ecosystems. At the molecular level, a large effort has been made to understand how plants adapt to Pi limiting conditions through the so called Phosphate Starvation Response (PSR). The main topic in this Ph.D. Thesis is the investigation of interconnected regulations between Pi homeostasis and immune responses in Arabidopsis (Chapter I and Chapter II) and rice (Chapter III). Chapter I describes the function of miR399 and its target gene PHO2 (PHOSPHATE2) in the regulation of phosphate homeostasis and disease resistance in Arabidopsis. Growing plants grown under high Pi supply, as well as miR399 overexpression and loss-of-function of PHO2 plants, leads to an increase in Pi content, these plants also exhibiting resistance to infection by P. cucumerina and C. higginsianum. Disease resistance is accompanied by increased ROS production. Furthermore, up-regulation of genes involved in salicylic acid (SA) and jasmonic acid (JA) signaling pathways occurs in Arabidopsis plants overaccumulating Pi, which is accompanied by a higher level of SA and JA in these plants. An opposite regulation of the two branches in the JA signaling pathway, the ERF1/PDF1.2 and MYC2/VSP2 branches, is observed in high Pi plants. Together, these findings support that miR399 plays a positive role in regulating hormone levels and immune responses in Arabidopsis. Chapter II describes the impact of alterations in the expression of MIR827 and its target gene NLA (NITROGEN LIMITATION ADAPTATION) in the response of Arabidopsis plants to infection by pathogenic fungi. Both miR827 overexpressing and nla mutant lines overaccumulated phosphate and were more resistant to P. cucumerina infection. The nla plants and plants grown under high Pi conditions show higher callose deposition and ROS production. Besides, in the absence of pathogen infection, genes involved in the SA- and JA-signaling pathways are up-regulated in nla plants compared to wild type plants. Accumulation of SA and JA also occurs in nla mutant plants. Additionally, loss-of-function of nla results in accumulation of the phytoalexin camalexin. These results support that NLA negative regulates defense responses in Arabidopsis. Chapter III describes the contribution of miR827 in the regulation of Pi homeostasis and resistance to pathogen infection in rice. CRISPR/Cas9-edited miR827 plants lines together with miR827 overexpressor plants were assayed for disease resistance against Magnaporthe oryzae. Compared with wild-type plants, the CRISPR-miiR827 plants and miR827 overexpressor rice plants showed lower and higher Pi content, respectively, and therefore, enhanced and decreased disease resistance to M. oryzae. Using 31P-HR-MAS, differences in the vacuolar-to-cytosolic distribution of Pi were detected between loss-of-function and gain-of-funtion miR827 plants. These findings support that, not only total Pi content, but also disturbance in the subcellular distribution of Pi might have an impact on resistance to infection by M. oryzae in rice.