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Pseudomonas syringae is a common foliar plant pathogenic bacterium that causes diseases on many crop plants. We hypothesized that today's highly virulent P. syringae crop pathogens with narrow host range might have evolved after the advent of agriculture from ancestral P. syringae strains with wide host range that were adapted to mixed plant communities. The model tomato and Arabidopsis pathogen P. syringae pv. tomato (Pto) DC3000 and its close relatives isolated from crop plants were thus selected to unravel basic principles of host range evolution by applying molecular evolutionary analysis and comparative genomics approaches. Phylogenetic analysis was combined with host range tests to reconstruct the host range of the most recent common ancestor of all analyzed strains isolated from crop plants. Even though reconstruction of host range of the most recent common ancestor of all analyzed strains was not conclusive, support for this hypothesis was found in some sub-groups of strains. The focus of my studies then turned to Pto T1, which was found to represent the most common P. syringae lineage causing bacterial speck disease on tomato world-wide. Five genomes were sequenced and compared to each other. Identical genotypes were found in North America and Europe suggesting frequent pathogen movement between these continents. Moreover, the type III-secreted effector gene hopM1 was found to be under strong selection for loss of function and non-synonymous mutations in the fliC gene allowed to identify a region that triggers plant immunity. Finally, Pto T1 was compared to closely related bacteria isolated from snow pack and surface water in the French Alps. Recombination between alpine strains and crop strains was inferred and virulence gene repertoires of alpine strains and crop strains were found to overlap. Alpine strains cause disease on tomato and have relatively wider host ranges than Pto T1. The conclusion from these studies is that Pto T1 and other crop pathogens may have evolved from ancestors similar to the characterized environmental strains isolated in the French Alps by adapting their effector repertoire to individual crops becoming more virulent on these crops but losing virulence on other plants. / Ph. D.

La défense pré-invasive ou stomatique est un mécanisme qui consiste en la fermeture des pores stomatiques présents sur les organes aériens des plantes lorsque celles-ci sont en contact avec certains agents pathogènes. Cette fermeture empêche ces derniers de pénétrer dans l’hôte et de le coloniser. Ce mécanisme s’active chez Arabidopsis inoculée par la bactérie Pseudomonas syringae pv tomato (Pst) DC3000. Des travaux préliminaires de notre groupe avaient montré que la carbonylation de protéines cibles par des espèces réactives électrophiles (EREs) représentait une étape cruciale de la signalisation cellulaire nécessaire à la mise en place de cette défense. Par des approches de marquage ciblé et de purifications couplées à des identifications par spectrométrie de masse en tandem (nanoLC-MS/MS), nous avons pu caractériser une sérine-thréonine protéine kinase qui joue un rôle déterminant dans ce mécanisme de défense. En effet, des plantes mutées sur le gène codant cette protéine ont perdu la capacité à induire la fermeture de leurs stomates et à déployer la défense stomatique vis-à-vis de la bactérie. De plus, l’introduction de la chimie click (cycloaddition alcyne-azide catalysée par le cuivre), dans nos approches de marquage, nous a permis d’identifier un ensemble de protéines très probablement carbonylées et susceptibles de jouer un rôle crucial dans ces évènements cellulaires qui contribuent à une part de l’immunité végétale. Enfin, les EREs étant capables d’induire la fermeture des stomates, nous avons cherché à savoir, dans le cadre de l’établissement d’une preuve de concept, si leur application sur des plantes permettrait la protection de ces dernières contre Pst. / Pre-invasive or stomatal defense is a mechanism which consists of closing the stomata present at surface of aerial organs of plants when they are in contact with certain pathogens. This closure prevents them from entering and colonizing the host. This mechanism is activated in Arabidopsis inoculated by the bacterium Pseudomonas syringae pv tomato (Pst) DC3000. Preliminary work by our group had shown that carbonylation of target proteins by reactive electrophile species (RES) was a crucial step of the cell signaling required to set up this defense. Through targeted tagging and purifications approaches coupled with tandem mass spectrometry identifications (nanoLC-MS/MS), we have been able to characterize a serine-threonine protein kinase that plays a crucial role in this defense mechanism. Indeed, plants mutated on the gene encoding this protein have lost their ability to trigger stomatal closure and to deploy the stomatal defense against the bacteria. In addition, the use of the click chemistry and notably, the copper-catalyzed alkyne-azide cycloaddition, in our tagging approaches has enabled us to identify a set of proteins that are most likely carbonylated and likely to play a significant role in these cell events that contribute to part of plant immunity. Finally, since RES are able to induce stomatal closure we sought to find out, in the context of establishing a proof-of-concept, whether their application to plants would enable them to be protected against the Pst.

The presence of turnip crinkle virus (TCV) in Arabidopsis thaliana plants has previously been shown to suppress the ability of these plants to produce a hypersensitive response (HR) upon inoculation with pathogens that would normally elicit this defense response. The ecotype Colombia-0 was examined using wildtype TCV and non-pathogenic strains of Pseudomonas syringae pv. glycinea Race 4 containing virulence genes avrRpt2, avrRpm1 and avrRps4. Transgenic lines of A. thaliana that express the TCV proteins p8, p9 or CP were also examined in an attempt to determine if these proteins play a role in suppression of the HR. Crosses of these transgenic lines were made in order to determine if binary combinations of these proteins were sufficient for HR suppression. In addition, assays were completed to determine if the inhibition of the HR correlated with suppression of resistance to the virulent Pseudomonas syringae pv. maculicola ES4236 avrRpt2 growth in the plant. Finally, PR-1 protein expression was inspected by visual and quantitative GUS reporter gene assays to determine if TCV also played a role in inhibition of the plants ability to develop systemic acquired resistance (SAR).

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La mancha bacteriana causada por el patógeno Pseudomonas syringae pv. tomato (P. s. tomato) es una de las enfermedades más devastadoras del cultivo del tomate. En este trabajo se demuestra que la sola inhibición de la expresión del gen Ep5C, que codifica una peroxidasa catiónica extracelular, es suficiente para conferir una marcada resistencia a P.s. tomato. Esta inhibición encontrada en las plantas de tomate produce una resistencia que no requiere la activación de las rutas de defensa descritas hasta ahora, controladas por el ácido salicílico y el ácido jasmónico. Así, la inhibición de este gen constituye una nueva herramienta genética para obtener plantas transgénicas resistentes a esta enfermedad. La temprana inducción del gen Ep5C está mediada por el H2O2, una especie reactiva de oxígeno generada durante el curso de u interacciones planta-patógeno. Los mecanismos que controlan la resistencia de las plantas a patógenos necrotrofos constituye uno de los aspectos menos estudiados en la actualidad. La búsqueda de nuevos componentes genéticos que participan en la cascada de señalización de las plantas frente a patógenos constituye uno de los retos de la biología molecular moderna. En este trabajo llevamos a cabo un escrutinio, utilizando plantas transgénicas de Arabidopsis thaliana portadoras del gen de la B-glucoronidasa (GUS) como gen marcador bajo el control del promotor del gen Ep5C, en busca de mutantes alterados en la expresión de dicho gen. En el presente trabajo presentamos la identificación y caracterización de uno de los mutantes, en concreto el mutante ocp3 (overexpressor of cationic peroxidase 3), el cual presenta expresión constitutiva del gen GUS. Las plantas ocp3 muestran una elevada acumulación de H2O2, y se caracterizan por presentar expresión constitutiva de GST1 y PDF1.2, dos genes marcadores de la respuesta defensiva, pero sin embargo no muestra expresión de PR-1, un gen marcador dependiente de la ruta del ácido salicílico (SA). La característic / Coego González, A. (2006). Análisis funcional del gen Ep5C y su implicación en los mecanismos de defensa en plantas [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/1972

Los fenilpropanoides constituyen un grupo de metabolitos secundarios producidos y utilizados por las plantas como parte de la respuesta defensiva tanto constitutiva como inducible. Un gran número de ellos están implicados en la resistencia frente a la enfermedad a diferentes niveles: señalización (ácido salicílico), agentes antimicrobianos (fitoalexinas), y endurecimiento de la pared celular (lignina). Las amidas derivadas del ácido hidroxicinámico (HCAAs) son un conjunto de metabolitos, pertenecientes al grupo de los fenilpropanoides, que desempeñan un importante papel en la defensa de las plantas frente a patógenos y predadores. Las HCAAs se forman a partir de la condensación de tioésteres de hidroxicinamoil-CoA con feniletilaminas, tales como la tiramina. El último paso en la biosíntesis de las HCAAs está catalizado por el enzima tiramina hidroxicinamoil transferasa (THT). En la presente tesis se muestra la identificación y el estudio de cuatro HCAAs, p-cumaroildopamina, feruloildopamina, p-cumaroiltiramina y feruloiltiramina, asociadas a la infección de tomate con la bacteria Pseudomonas syringae pv. tomato. Su identificación y caracterización estructural se han llevado a cabo mediante técnicas de cromatografía líquida de alta resolución y espectrometría de masas (HPLC-MS). Se ha analizado la posible implicación del ácido salicílico y del etileno en la inducción patogénica de dichas moléculas y del enzima responsable de su biosíntesis (THT). Además, se ha estudiado la actividad antioxidante y antibacteriana in vitro de las cuatro HCAAs identificadas. Por último, se han obtenido líneas transgénicas de Arabidopsis thaliana y de tomate que sobreexpresan el gen de la THT, y se han analizado los perfiles cromatográficos de dichas líneas. / Zacarés Sanmartín, L. (2008). Nuevas aportaciones al metabolismo secundario del tomate. Identificación y estudio de moléculas implicadas en la respuesta a la infección con pseudomonas syrinagae pv. tomato [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/3021

El ácido salicílico (SA) juega un papel fundamental en la respuesta defensiva de las plantas. Este compuesto se acumula en las mismas como consecuencia de infecciones patogénicas de tipo incompatible, y su aplicación exógena induce resistencia. Asimismo, plantas transgénicas incapaces de acumularlo presentan una mayor susceptibilidad a patógenos de distinta naturaleza. Por otra parte, el ácido gentísico (GA, ácido 2,5-dihidroxibenzoico) se acumula en plantas en infecciones compatibles no necrotizantes. La aplicación exógena de GA induce un conjunto de proteínas de defensa PR (Pathogenesis related) distintas a las que induce el SA, por lo que podría tener un papel complementario en la señalización frente a patógenos en plantas. Ambos compuestos se acumulan en plantas en forma de glicósidos, es decir, conjugados a una o más moléculas de azúcar. Estas reacciones de conjugación son catalizadas por proteínas denominadas glicosiltransferasas. En plantas de tomate el SA se acumula como SA 2-O-ß-glucósido, unido a una molécula de glucosa, mientras el GA lo hace en forma de GA 5-O-ß-xilósido, unido a xilosa. GAGT (Gentisic Acid Glycosyl Transferase) ha sido descrita como la proteína que conjuga GA en tomate. Dado que la glicosilación de metabolitos es una forma rápida de inactivarlos, la existencia de esta proteína con actividad conjugadora de GA refuerza la idea del ácido gentísico (GA) como molécula señal complementaria al SA en la interacción planta-patógeno. Por otra parte, la proteína Twi1 (Tomato wound inducible), descrita en tomate como una posible glicosiltransferasa debido a sus características comunes con este grupo de proteínas, presenta inducción por SA y otros compuestos de naturaleza fenólica, además de herida e interacciones de tipo incompatible. Trabajos en los que se ha llevado a cabo la sobreexpresión o el silenciamiento de una GT han puesto de manifiesto cómo ello conlleva la aparición de resistencia o susceptibilidad frente a una infección patogénica. Por tanto, las GTs tienen un papel fundamental en la respuesta defensiva de la planta, modulando los niveles de moléculas que intervienen en dicha respuesta. Por otra parte, se han realizado estudios dirigidos a elucidar la implicación de compuestos del metabolismo secundario en la interacción de plantas de tomate con distintos patógenos. Ello ha permitido detectar cambios concretos de los niveles de un número determinado de metabolitos a lo largo de las infecciones, como son cuatro amidas derivadas del ácido hidroxicinámico (HCAAs) que se acumulan en plantas de tomate infectadas con la bacteria Pseudomonas syringae pv. tomato. Las HCAAs son un conjunto de metabolitos, pertenecientes al grupo de los fenilpropanoides, de bajo peso molecular y que se caracterizan por la presencia de nitrógeno en su estructura. En su ruta de biosíntesis participan diversos enzimas tales como la fenilalanina amonio liasa (PAL), la tirosina descarboxilasa (TYDC) o la tiramina hidroxicinamoil transferasa (THT). La acumulación en tomate de las cuatro amidas como consecuencia de la infección bacteriana va acompañada de la inducción del isoenzima THT1-3. La obtención de plantas transgénicas que sobreexpresen o silencien las proteínas GAGT, Twi1 y THT1-3 permitirá llevar a cabo ensayos de resistencia frente a infecciones patogénicas que contribuyan al conocimiento del sistema defensivo de las plantas, tanto en sus aspectos de señalización como en los referidos a componentes de la respuesta final de la planta. Al mismo tiempo, esta estrategia puede constituir, en sí misma, un medio de obtención de plantas más resistentes frente a ataques patogénicos de diversa naturaleza. / Campos Beneyto, L. (2014). Metabolitos secundarios de naturaleza fenólica: papel en la respuesta defensiva de plantas de tomate [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/44236