Papel de MTS1 y S5H en la respuesta defensiva de plantas de tomate frente a la infección con la bacteria Pseudomonas syringae

Abstract

Throughout evolution, plants have been developing defence systems against different abiotic and biotic aggressions by their environment. These defensive systems include both constitutive and inducible defences. In response to stress signals, plants synthesize defence proteins and different chemical compounds. These compounds can carry out direct defensive functions, that is, acting like antioxidants, antibacterial or antifungal. Phenolic compounds and alkaloids, as well as some volatile organic compounds (VOCs) with less polarity and molecular weight, belong to this defensive compounds group.

In this Master¿s degree final project we propose the study of the function of a new monoterpene synthase (MTS1) and a salicylic acid 5-hydroxylase (S5H) in tomato plants defensive response against Pseudomonas syringae pv. tomato bacteria. Both genes are involved in plants secondary metabolism. MTS1 takes part in the production of monoterpenic VOCs, such as alpha-terpineol, whose application produces stomatal close. On its behalf, S5H takes part in salicylic acid (SA) degradation to gentisic acid (GA), both defensive phenolic compounds.

In the first part of the project, we have observed that MTS1 overexpression produces an increase in some monoterpenes emission which are capable of producing stomatal closing in neighbour non-transgenic plants. Due to one of the possible entry sites for Pseudomonas syringae pv. tomato are stomata, we have evaluated the possible resistance of these transgenic plants, as well as their neighbour plants, against bacterial infection. However, the highest emission of monoterpenes shown is not enough to induce more resistance against the bacteria, neither in transgenic plants nor non-transgenic plants. Our results suggest that terpenoids play a function in interplant communication, doing of overexpression transgenic plants MTS1 a future biotechnological tool.

Regarding the S5H role in defensive response, we have observed that a correlation between their expression and their product accumulation exists, the GA, in infected tomato plants with different pathogenic agents. Likewise, silencing transgenic lines in this gene (RNAi_S5H) shows higher SA basal levels than control plants. On the other hand, infected RNAi_S5H transgenic plants with Pseudomonas syringae pv. tomato, exhibit a decrease in GA levels and higher resistance against bacterial infection, confirming the in vivo activity of this enzyme and their function in defensive response. Ultimately, we have seen an advanced senescence phenotype in transgenic plants, suggesting that SA catabolism plays an important role in plants senescence.

A lo largo de la evolución, las plantas han ido desarrollando sistemas de defensa frente a diversas agresiones abióticas y bióticas por parte de su entorno. Estos sistemas defensivos incluyen tanto barreras constitutivas como defensas inducibles. En respuesta a las señales de estrés, las plantas sintetizan proteínas de defensa y compuestos químicos de diversa naturaleza. Estos compuestos pueden ejercer funciones defensivas directas, esto es, actuando como antioxidantes, antibacterianos o antifúngicos, o actuar como metabolitos defensivos indirectos, señalizando la respuesta defensiva. Los compuestos fenólicos y los alcaloides, así como algunos compuestos orgánicos volátiles (VOCs) de menor polaridad y peso molecular, pertenecen a este grupo de compuestos defensivos.

En el presente Trabajo de Fin de Máster nos planteamos el estudio de la función de una monoterpeno sintasa (MTS1) y de una salicilato 5-hidroxilasa (S5H) en la respuesta defensiva de plantas de tomate frente a la bacteria Pseudomonas syringae pv. tomato. Ambos genes participan en el metabolismo secundario de las plantas. MTS1 interviene en la producción de VOCs monoterpénicos, tales como el alpha-terpineol, cuya aplicación exógena produce el cierre estomático. Por su parte, S5H participa en la degradación del ácido salicílico (SA) a ácido gentísico (GA), siendo ambos, compuestos fenólicos defensivos.

En la primera parte del trabajo, hemos observado que la sobreexpresión de MTS1 produce un aumento en la emisión de varios monoterpenos capaces de producir el cierre estomático en plantas vecinas no transgénicas. Puesto que una de las posibles vías de entrada de la bacteria Pseudomonas syringae pv. tomato son los estomas, hemos evaluado la posible resistencia de estas plantas transgénicas, así como de sus vecinas, frente a la infección bacteriana. Sin embargo, la mayor emisión de monoterpenos observada no es suficiente para producir una mayor resistencia a la bacteria, ni en las propias plantas transgénicas, ni en las no transgénicas. Nuestros resultados sugieren que los terpenoides desempeñan una función en la comunicación entre plantas, haciendo de las plantas transgénicas que sobreexpresan MTS1 una futura herramienta biotecnológica.

Con respecto al papel de S5H en la respuesta defensiva, hemos visto que existe una correlación entre su expresión y la acumulación de su producto, el GA, en plantas de tomate infectadas con diferentes agentes patogénicos. Asimismo, líneas transgénicas de silenciamiento en dicho gen (RNAi_S5H) presentan unos niveles basales de SA superiores a las de sus correspondientes plantas control. Por otra parte, las plantas transgénicas RNAi_S5H infectadas con la bacteria Pseudomonas syringae pv. tomato, presentan una disminución en los niveles de GA y una mayor resistencia a la infección bacteriana, confirmando así la actividad in vivo de este enzima y su función en la respuesta defensiva. Por último, hemos observado un fenotipo de senescencia avanzada en estas plantas transgénicas, sugiriendo que el catabolismo del SA desempeña un papel importante en la senescencia de las plantas.