Papel del salicilato de metilo en la comunicación entre plantas de tomate activada por patógenos

Abstract

[ES] El ácido salicílico (SA) es un compuesto fenólico involucrado en varios procesos fisiológicos y bioquímicos en plantas, siendo la activación de la respuesta defensiva su función mejor caracterizada. Las plantas mantienen la homeostasis del SA ajustando el equilibrio entre la biosíntesis y el catabolismo de esta fitohormona. De este modo, el SA puede modificarse químicamente en diferentes derivados bioactivos. En particular, la carboxil metiltransferasa del ácido salicílico (SAMT) cataliza la metilación del SA para formar salicilato de metilo (MeSA; Ding y Ding, 2020). Un análisis metabolómico no dirigido posibilitó la identificación de varios VOCs diferenciales, tales como el MeSA, emitidos por las plantas de tomate de la variedad `Rio Grande" en respuesta a una infección virulenta causada por la bacteria Pseudomonas syringae pv. tomato (Pst; López-Gresa et al., 2017). Igualmente, en nuestro laboratorio se generaron plantas transgénicas RNAi_S5H, que silencian el gen S5H implicado en el catabolismo del SA y se comprobó que éstas acumulan mayores cantidades de este fenólico (Payá et al., 2022). En el presente Trabajo Final de Máster pretendemos estudiar el papel del salicilato de metilo en la señalización de la respuesta defensiva en la propia planta (señalización defensiva intra-planta) así como en la comunicación con sus vecinas (señalización defensiva inter-planta). Para ello, primeramente se estudió el perfil de VOCs de las plantas transgénicas de tomate RNAi_S5H, así como de las plantas transgénicas NahG -incapaces de acumular SA- tras una infección bacteriana causada por Pst, observándose que el silenciamiento de S5H lleva consigo una mayor emisión diferencial de MeSA así como una menor emisión de otros VOCs implicados en defensa. A continuación, se realizaron tratamientos farmacológicos con MeSA, para confirmar la activación de la respuesta defensiva en las plantas mediada por este compuesto volátil. Se analizó la inducción del cierre estomático y la expresión del gen relacionado con la patogénesis PR1, así como la resistencia frente a una infección bacteriana causada por Pst. Asimismo, se llevaron a cabo experimentos de comunicación entre plantas, analizando la respuesta defensiva en las plantas vecinas MM (r-plants) cohabitadas con plantas infectadas emisoras de distintos niveles de MeSA (e-plants), observándose que tras su cohabitación se inducía la respuesta defensiva en las plantas de tomate vecinas (r-plants). Por último, se llevó a cabo la caracterización química, molecular y fenotípica de plantas que sobreexpresan el gen SAMT, observándose una tendencia a la sobreemisión de su producto MeSA, así como una mayor resistencia frente a una infección bacteriana por Pst, que va acompañada de una mayor activación de las defensas (cierre estomático e inducción de la expresión de PR1). Los resultados del presente Trabajo Final de Máster parecen indicar que el salicilato de metilo, así como otros compuestos volátiles, juega un papel muy importante en la comunicación entre plantas en respuesta a una infección bacteriana.

[EN] Salicylic acid (SA) is a phenolic compound involved in several physiological and biochemical processes in plants, being the activation of the defensive response in plants its best characterized function. Plants maintain SA homeostasis by adjusting the balance between biosynthesis and catabolism of this phytohormone. In this way, SA can be chemically modified into different bioactive derivatives. In particular, the salicylic acid carboxyl methyltransferase (SAMT) catalyses the methylation of SA to form methyl salicylate (MeSA; Ding and Ding, 2020). An untargeted metabolomic analysis enabled the identification of several differential VOCs, such as MeSA, emitted by 'Rio Grande' tomato plants in response to a virulent infection caused by the bacterium Pseudomonas syringae pv. tomato (Pst; López-Gresa et al., 2017). Likewise, in our laboratory, RNAi_S5H transgenic plants were generated, which silence the S5H gene, involved in SA metabolism, and it was found that these accumulate higher amounts of this phenolic (Payá et al., 2022). In this Master's thesis we aim to study the role of methyl salicylate in the signalling of the defensive response in the plant itself (intra-plant defensive signalling) as well as in the communication with its neighbours (inter-plant defensive signalling). First, the VOC profile of RNAi_S5H transgenic tomato plants and NahG transgenic plants - unable to accumulate SA - was studied after a bacterial infection caused by Pst, showing that silencing of S5H leads to a higher differential emission of MeSA and a lower emission of other VOCs involved in defence. Next, pharmacological treatments with MeSA were performed to confirm the activation of the defence response in plants mediated by this volatile compound. The induction of stomatal closure and the expression of the pathogenesis-related gene PR1 were analysed, as well as the resistance to a bacterial infection caused by Pst. Furthermore, inter-plant communication experiments were carried out, analysing the defensive response in neighbouring MM plants (r-plants) cohabited with infected plants emitting different levels of MeSA (e-plants), observing that after their cohabitation the defensive response was induced in the neighbouring tomato plants (r-plants). Finally, the chemical, molecular and phenotypic characterisation of plants overexpressing the SAMT gene was carried out, observing a tendency to over-emitting of its MeSA product, as well as a greater resistance to bacterial infection by Pst, which is accompanied by a greater activation of the defences (stomatal closure and induction of PR1 expression). The results of this Master's thesis seem to indicate that methyl salicylate, as well as other volatile compounds, play a very important role in the communication between plants in response to bacterial infection. Keywords: tomato, bacteria, salicylic acid, methyl salicylate, VOCs, interplant communication.