Patógenos

Interacciones Bióticas
Plant
Marco general: efectos
Abiotic
stress
Plant
neighbors
Plant
Pathogens
Herbivores
Beneficial
microorganisms
Marco general: respuestas
Abiotic
stress
Plant
neighbors
Plant
Pathogens
Herbivores
Beneficial
microorganisms
Interacciones Planta-Patógeno
Plant
Pathogens
Patógenos
Baker Science 2007
Patógenos
Los patógenos exitosos son capaces de:
1) Suprimir or evadir las defensas basales del huesped;
2) Interferir con el metabolismo celular de la célula huesped, alterándolo
para su propio provecho
La Gran Hambruna de Irlanda fue
provocada por Phytophthora infestans
Ladera en California desvastada por
Phytophthora ramorum (Sudden Oak Death)
Patógenos
-Biótrofos: obtienen nutrientes de
tejido vivo
Ej: Perenospora parasitica
-Necrótrofos: obtienen nutrientes
de tejido muerto o moribundo
Ej: Alternaria brassicicola, Botrytis cinerea
-Hemibiótrofos
Ej: Pseudomonas syringae
“Necrotrophs first destroy host cells, often through the production of phytotoxins, after which they feed on the contents. Biotrophs derive nutrients from
living host tissues, commonly through specialized feeding structures (haustoria) that invaginate the host cell without disrupting it. Many plant pathogens
display both lifestyles, depending on the stage of their life cycle, and are called hemibiotrophs.” Pieterse 2009 Nat Chem Biol
Defensas contra patógenos
- Constitutivas (pre-invasión)
- Inducidas (post-invasión)
Defensas contra patógenos: Constitutivas
Barreras físicas: Involucran propiedades de la superficie
de la planta, esto es, cutícula, estomas y paredes celulares
Barreras químicas: Involucran compuestos tales como
FITOANTICIPINAS que tienen actividad antimicrobiana y
DEFENSINAS que interfieren con la nutrición del patógeno y
retardan el desarrollo
Aspectos físicos: ¿Cómo ingresan los patógenos al apoplasto?
Fungi
Bacteria
Illustrated glossary of plant pathology
www.apsnet.org/
Aspectos químicos
Fitoanticipinas: se producen constitutivamente y por ende están
presentes antes del ataque del patógeno
B-glucósidos: glucósidos cianogénicos
glucósidos benzoxazinoides
avenocósidos
glucosinolatos
Defensas contra patógenos: Inducidas
El sistema inmune de las plantas
Definiciones de:
PTI: PAMP-triggered immunity (definición de PAMP)
ETS: effector-triggered susceptibility (definición de “efector”)
ETI: effector-triggered immunity (definición de genes “R”)
“A broad spectrum of inducible plant defenses can be recruited to limit pathogen ingress. For this post-invasive line of defense,
plants have evolved sophisticated strategies to perceive their attacker and to translate this perception into an effective immune
response. First, the primary immune response recognizes common features of microbial pathogens, such as flagellin, chitin,
glycoproteins and lipopolysaccharides. These microbial determinants are referred to as pathogen-associated molecular patterns
(PAMPs). PAMPs activate pattern-recognition receptors (PRRs), which in turn initiate diverse downstream signaling events that
ultimately result in the activation of a basal resistance that is called PAMP-triggered immunity (PTI). During the co-evolutionary arms
race between pathogens and their host plants, pathogens acquired effector molecules that are transported into the host cell to
suppress PTI and promote virulence of the pathogen, resulting in effector-triggered susceptibility (ETS). In turn, plants acquired
resistance (R) proteins that recognize these attacker-specific effectors, resulting in a secondary immune response called effectortriggered immunity (ETI)”. Pieterse 2009 Nat Chem Biol
Defensas contra patógenos: Inducidas
El sistema inmune de las plantas
Figure 1: Simplified model of the regulatory network controlling the plant defense transcriptome. Receptor-mediated
recognition of PAMPs (pathogen-associated molecular patterns) triggers signaling processes resulting in massive
transcriptional reprogramming and activation of defense reactions (PAMP-triggered immunity; PTI). PAMP-dependent
signals target transcription factors (TFs) that control the defense transcriptome. Pathogen-derived effector (E) proteins
intercept plant defense signals attenuating PTI. R proteins recognize effectors by direct or indirect mechanisms and boost
defense reactions resulting in strong effector-triggered immunity (ETI).
PTI
ETS
ETI
Efectiva sólo contra biótrofos
“(a) Upon pathogen attack, pathogen-associated molecular patterns (PAMPs) activate pattern-recognition receptors (PRRs) in
the host, resulting in a downstream signaling cascade that leads to PAMP-triggered immunity (PTI)19. (b) Virulent pathogens
have acquired effectors (purple stars) that suppress PTI, resulting in effector-triggered susceptibility (ETS). (c) In turn, plants
have acquired resistance (R) proteins that recognize these attacker-specific effectors, resulting in a secondary immune response
called effector-triggered immunity (ETI).Pieterse 2009 Nat Chem Biol
Las bacterias patógenas de plantas secretan proteínas
llamadas "factores de virulencia“, o efectores, directamente
dentro de la célula huesped
Bacteria use a sophisticated “injection” apparatus, called a Type III Secretion
System, to deliver virulence effector proteins directly in the cytoplasm of the host cell.
Bacterial type III effectors disable host surveillance by suppressing innate immunity.
Espinosa & Alfano
Cellular Microbiology 6 (11), 1027-1040.
Los efectores de hongos y oomicetes son menos conocidos
Algunos actuan en la matriz extracelular;
otros dentro de la célula
Defensas contra patógenos: Inducidas
El sistema inmune de las plantas
Ejemplos de:
PAMP (o MAMP): “Pathogen- (o microbe-) associated molecular patters”: flagelina
(porción conservada de la proteína que constituye el flagelo), EF-Tu (uno de los
factores de elongación requeridos para traducción de proteínas en procariotas),
heptoglucano de oomicetes, xilanasas fúngicas, etc. (MAMP es una descripción más
genérica porque incluye organismos no patogénicos)
Efectores, E: moléculas que suprimen PTI. Productos codificados por los genes Avr
de los patógenos. También se incluye en esta categoría a moléculas pequeñas que
imitan hormonas vegetales o alteran el metabolismo hormonal del huésped para
beneficio del patógeno: coronatina, GA, citokininas, micro-RNAs
Defensas contra patógenos: Inducidas
El sistema inmune de las plantas
Receptores involucrados en la activación del sistema inmune
PAMP (o MAMP) y E tienen receptores específicos en la superficie y el interior de la
célula
PAMP: reconocidos por receptores PRR (pattern recognition receptors) ubicados en
la MP. P.ej, el receptor de flagelina es FLS2, el de EF-Tu es EFR. Ambos son
receptores quinasas (LRR-receptor kinase)
E: reconocidos por rango muy diverso de receptores ubicados en el citoplasma
(internos) y unos pocos en la MP. Son receptores NB-LRR. Frecuentemente, los
genes que codifican estos receptores se denominan genes “R”. (Cada R confiere
resistencia razas específicas de patógeno – aquellas razas que llevan el efector o
factor de virulencia que activa R ). El reconocimiento es probablemente indirecto en
la mayor parte de los casos (Guard hypothesis), aunque hay ejemplos de interacción
directa entre proteínas Avr y R
Ver fig. siguiente
(LRR=leucine rich repeat; NB = nucleotide binding)
Visualizar ubicación general de receptores de PAMP y E (PRR y R).
Panstruga Cell 2009
Visualizar ubicación general de receptores de PAMP y E (PRR y R).
Defensas contra patógenos: Inducidas
El sistema inmune de las plantas
Receptores involucrados en la activación del sistema inmune
Los PRR (receptores de PAMP) son receptores quinasa. Activación de la cascada de
fosforilación regula la expresión génica (interactuando con factores de transcripción
WRKY y otros)
(C) Time course of MBP kinase activity
in mock-treated cells (control) or in
cells treated with 100 nM flg22 or 100
nM elf18. Gels were loaded with equal
amounts of protein and no additional
radiolabeled bands were observed in
the parts of the gel clipped from the
figure.
(D) MBP kinase activity after 10 min of
treatment with 100nMelf18,
100nMflg22, or a combination of both
peptides. Results show means and
standard deviations of the radioactivity
in the 48 kDa band from extracts of n =
3 replicate treatments.
Zipfel et al. 2006, Cell
flg22= flagelina
elf18= EF-Tu
Defensas contra patógenos: Inducidas
El sistema inmune de las plantas
Receptores involucrados en la activación del sistema inmune
Los receptores NB-LRR (receptores de E) se mueven al núcleo y regulan la expresión
génica (interactuando con factores de transcripción WRKY y otros)
Defensas contra patógenos: Inducidas
El sistema inmune de las plantas
Las respuestas inmunes (defensas) activadas por PTI y ETI
pueden ser parecidas
Estas defensas frecuentemente incluyen:
Fortificación de la pared celular vía síntesis de calosa y lignina
Producción de metabolitos secundarios y proteínas con actividad antimicrobiana
Acumulación de proteínas PR (pathogenesis-related), como quitinasas y glucanasas
que degradan las paredes celulares de hongos y oomicetes.
Defensas contra patógenos: Inducidas
Fortificación de la pared celular en respuesta a
tratamiento con flagelina. La calosa es un
polímero de glucanos.
Callose deposition in seedlings treated with
flg22. A. thaliana seedlings of ecotypes La-er
and Ws-0 were incubated in the presence or
absence of flg22. After treatment for 24 h,
leaves and cotyledons were stained for callose
by aniline blue and fluorescence was
photographed under UV light.
NOTA: el ecotipo WS-0 carece del receptor de
flagelina
Gomez_Gomez et al. 1999, Plant J
Defensas contra patógenos: Inducidas
Expresión de genes de defensa en respuesta a
tratamiento con flagelina
NOTA: el ecotipo WS-0 carece del receptor de
flagelina
Gomez_Gomez et al. 1999, Plant J
Defensas contra patógenos: Inducidas
El sistema inmune de las plantas
Algunas proteínas PR son
secretadas al apoplasto, al
igual que otros compuestos
antimicrobianos
Recognition of conserved MAMPs by PRRs
triggers intracellular signaling via mitogenactivated protein kinase (MAPK) cascades
(MAPKKK, MAPKK, MAPK). This results
ultimately in transcriptional activation of
defense genes by plant-specific transcriptional
regulators including members of the WRKY
superfamily. Execution of the immune
response relies in part on the exocytosis
pathway leading to vesicle-associated and
SNARE protein-mediated focal secretion of
defense-related proteins including PR-1. A
“toxic load” of antimicrobial cargo such as that
derived from the biochemical activation of
nontoxic precursors can also be translocated
to the extracellular space by members of the
ATP-binding cassette (ABC) transporter
family.
Panstruga et al. 2009 Cell
Defensas contra patógenos: Inducidas
El sistema inmune de las plantas
Algunas proteínas PR son secretadas al apoplasto,
al igual que otros compuestos antimicrobianos
Sorghum produces phytoalexins that are 3-deoxyanthocyanidin flavonoids.
The compounds inhibit the growth of phytopathogenic fungi in vitro. The
phytoalexins appear to be synthesized in subcellular inclusions within a host
epidermal cell that is about to be penetrated by a fungus. This site-restricted
synthesis suggests that the phytoalexin response occurs initially in the first
cells that come under fungal attack and is not simply a response of cells that
surround the original infection site.
Snyder and Nicholson, Science (1990)
Defensas contra patógenos: Inducidas
El sistema inmune de las plantas
Las respuestas inmunes (defensas) activadas por PTI y ETI
pueden ser parecidas
Estas defensas frecuentemente
incluyen también:
Explosión oxidativa (disparada por
PTI). Es una respuesta muy rápida.
Explosión oxidativa y muerte celular
programada (reacción hipersensible;
disparada por ETI). Respuesta de
más intensidad que tiende a aislar al
patógeno en una zona sin tejido vivo
(sólo eficiente contra biótrofos).
Defensas contra patógenos: Inducidas
Explosión oxidativa disparada por PTI
en tejidos foliares de Arabidopsis
tratados con flagelina (flg22) y con una
versión inactiva (flg15).
Oxidative burst in the leaf tissues of
ecotype La-er and Ws-0.
Luminescence of A. thaliana leaf slices
in a solution with luminol and
peroxidase after treatment with 1 mM
flg22, 20 mM flg15R.mel. or after
control treatment. Light emission at the
very beginning of the experiments is
caused by phosphorescence of the
green tissue.
(a) Leaf tissue of ecotype La-er.
(b) Leaf tissue of ecotype Ws-0
NOTA: el ecotipo WS-0 carece del
receptor de flagelina
Gomez_Gomez et al. 1999, Plant J
Defensas contra patógenos: Inducidas
Las defensas disparadas por el sistema PTI son efectivas frenando el
crecimiento de patógenos biótrofos o hemibiótrofos
(E) EF-Tu and flagellin limit growth of
Pseudomonas syringae pv tomato (Pst)
DC3000 in Arabidopsis.
Leaves were pressure infiltrated with
100 nM flg22, 100 nM elf26, or both
peptides either 24 hr before the Pst
DC3000 (105 cfu/ml). Results show
bacteria (cfu) in leaves 4 days postinfection as means and standard errors
from n = 5 leaves. The dashed line
indicates cfu extractable 1 hr after
inoculation (0 dpi).
(notar escala log)
Zipfel et al. 2006 Cell
flg22= flagelina
elf18= EF-Tu
Defensas contra patógenos: Inducidas
La reacción hipersensible disparada
por el sistema ETI es efectiva frenando
el crecimiento de patógenos biótrofos o
hemibiótrofos
Ejemplo de respuesta hipersensible en
cultivares resistentes a Xanthomonas
euvesicatoria (a la derecha). El cv de la
izquierda no presenta HR y la bacteria
causa reducción de crecimiento y
desfoliación.
Abajo: síntomas de daño a campo en
cvs sensibles.
Univ. of Florida, IFAS Extension
Visualizar ubicación general de receptores de PAMP y E.
Visualizar productos finales (respuestas inmunes) generadas por PTI y ETI
Defensas contra patógenos: Inducidas
La regulación de las respuestas inmunes (defensas) depende de hormonas
El reconocimiento de patógenos dispara también la síntesis y acumulación de
hormonas de defensa, que coordinan la expresión de respuestas destinadas a limitar
el daño y combatir el ataque.
El tipo de hormona sintetizada en general depende de la naturaleza del atacante.
SA, JA, ET (ver cuadrante inferior izq de figura siguiente para control de la síntesis
de SA en rta a percepción de Efectores)
Los patógenos biótrofos son generalmente sensibles a defensas activadas por SA.
Los patógenos necrótrofos son generalmente sensibles a respuestas activadas por
JA y ET
Visualizar sitios de producción de hormonas y respuestas que controlan
Defensas contra patógenos: Inducidas
Al igual que las defensas inducidas en respuestas al ataque de insectos,
la defensas inducidas contra patógenos son sistémicas
Definición de SAR e ISR
SAR (systemic acquired resistance): resistencia de amplio espectro (en particular contra
biótrofos), sistémica, asociada con la expresión de proteínas PR (con función
antimicrobiana).
ISR (induced systemic resistance): disparada por microorganismos “benéficos” de
suelo, como micorrizas y algunas bacterias. Sistémica. Asociada con el “priming”
(sensibilización) de sistemas de defensa inducibles por JA/ET. No involucra la
producción de poteínas PR
Defensas contra patógenos: Inducidas
Al igual que las defensas inducidas en respuestas al ataque de insectos,
la defensas inducidas contra patógenos son sistémicas
SAR, continuación
Disparada por PTI o ETI (activación de receptores intracelulares de E – esto es ETI es particularmente efectiva).
involucra la acumulación de SA en el sitio primario de infección y en el resto de la
planta. Es efectiva contra un espectro amplio de patógenos (particularmente contra
biótrofos).
La proteína NPR1 (un co-factor de transcripción) es esencial para la percepción de
SA. Se mueve al núcleo y dispara la expresión de genes de defensa (proteínas
antimicrobianas PR y proteínas necesarias para la secreción) (ver centro figura
general)
La naturaleza de la señal sistémica es desconocida (MeSA es una posibilidad)
Visualizar percepción de SA y Respuestas activadas
Costos de no producir defensas
npr = non expressor
of PR genes
INA= análogo del
salicílico
Cao Plant Cell 1994
Costos de producir defensas constitutivamente
cpr= constitutive
expresser PR gene
Bowling et al. 1994.
Plant Cell
INA= análogo del
salicílico
Defensas contra patógenos: Inducidas
Al igual que las defensas inducidas en respuestas al ataque de insectos,
la defensas inducidas contra patógenos son sistémicas
ISR, continuación
Disparada por patrones moleculares de organismos no patógenos (e.g. análogo a
PTI).
Requiere JA y ET
Es efectiva contra un espectro amplio de patógenos sensibles a defensas disparadas
por JA-ET (sp. necrótrofos) e insectos (recordar que JA es la principal hormona de defensa frente a
insectos).
Señal sistémica: JA, ET, otros
Defensas contra patógenos: Inducidas
Schematic representation of systemically
induced immune responses. Systemic
acquired resistance (SAR) is typically
activated in healthy systemic tissues of locally
infected plants. Upon pathogen infection,
a mobile signal travels through the vascular
system to activate defense responses in distal
tissues. Salicylic acid (SA) is an essential
signal molecule for the onset of SAR, as it is
required for the activation of a large set of
genes that encode pathogenesis-related
proteins (PRs) with antimicrobial properties.
Induced systemic resistance (ISR) is typically
activated upon colonization of plant roots by
beneficial microorganisms. Like SAR, a
longdistance signal travels through the
vascular system to activate systemic
immunity in above-ground plant parts. ISR is
commonly regulated by jasmonic acid (JA)and ethylene (ET)-dependent signaling
pathways and is typically not associated with
the direct activation of PR genes. Instead,
ISR-expressing plants are primed for
accelerated JA- and ET-dependent gene
expression, which becomes evident only after
pathogen attack. Both SAR and ISR are
effective against a broad spectrum of virulent
plant pathogens.
Pieterse et al. 2009, Nat Chem Biol
Defensas contra patógenos: Inducidas
Las vías homonales de SA, JA, ET interactúan en forma sinérgica o antagónica
Networking by phytohormones
in the plant immune response.
Cross-communication
between hormone signaling
pathways provides the plant
with a large regulatory
capacity that may tailor its
defense response to different
types of attackers. On the
other hand, pathogens such as
P. syringae produce effector
proteins (for example,
coronatine, HopI1 and
AvrRpt2) that manipulate the
signaling network to suppress
host immune responses and
promote virulence. The SA, JA
and ET signaling pathways
represent the backbone of the
defense signaling network,
with other hormonal signaling
pathways feeding into it. Only
those signal transduction
components that are relevant
to this review are shown.
⊥, negative effect;
purple stars, positive effect.
Pieterse et al. 2009, Nat Chem
Biol
Defensas contra patógenos: Inducidas
Las vías homonales de SA, JA, ET interactúan en forma sinérgica o antagónica
El balance entre estas interacciones
depende del tipo de receptores
originalmente activados y define el tipo de
defensa que la célula activa (contra
necrótrofos –JA/ET) o contra biótrofos
(SA)
Defensas contra patógenos: Inducidas
Las vías homonales de SA, JA, ET pueden ser moduladas por señales de competencia
JA: ver clase anterior
ET: la producción de ET es estimulada por FR.
Pierik et al. 2004 Plant Physiol
Defensas contra patógenos: Inducidas
Las vías homonales de SA, JA, ET pueden ser moduladas por señales de competencia
SA: la respuesta SAR está comprometida en mutantes phyAphyB
Figure 7. SAR is compromised in phyAphyB. A, Bacterial growth
quantification to directly assess SAR. Wild-type and
photoreceptor mutant plants were pretreated with 10 mM MgCl2
or Psm (OD 5 0.01) in three primary leaves (primary treatment);
2 d later three systemic leaves located directly above the
primary leaves were inoculated with Psm (OD 5 0.002).
Bacterial growth in systemic leaves was assessed 3 dpi after the
secondary inoculation. Bars represent mean values (6 SD)
of colony forming units (cfu) per square centimeter from at least
five parallel samples consisting each of three leaf discs.
Asterisks denote statistically significant differences in systemic
growth between Psm-and MgCl2-pretreated plants of a
particular line (*, P , 0.05, **, P , 0.001; Student’s t test). B,
Systemic accumulation of free SA. Primary treatments were
performed as described in A. Untreated upper leaves were
harvested 2 d later for SA analysis. Bars represent mean values
(6 SD) of three independent samples, each sample consisting of
six leaves from two different plants. Asterisks denote pathogen
treatment with statistically significant differences to the
respective MgCl2 control (*, P , 0.05; Student’s t test). Light
bars, MgCl2 pretreatment; dark bars, Psm preinoculation.
Griebel y Zeider, Plant Physiol 2008
Defensas contra patógenos: Inducidas
Las vías homonales de SA, JA, ET pueden ser moduladas por señales de competencia
Mutantes con shade avoidance constitutivo son más sensibles a Pseudomonas.
CSA1: TIR-NB-LRR, homólogo cercano a RPS4
Faigón-Soverna et al. 2006 Plant Cell
Bonus tracks
1) Insect eggs suppress plant defence
against chewing herbivores
Muerte celular
Deposición
de calosa
Deposición
de calosa
Acumulación de H2O2
Little et al., Plant Physiology 2007
Activación
del gen de
defensa PR1
Líneas transgénicas de Arabidopsis
con el gen reportero PR1::GUS
Little et al., Plant Physiology 2007
Bruessow et al., Plant J 2010
Bruessow et al., Plant J 2010
Bruessow et al., Plant J 2010
S. littoralis
(generalista)
S. littoralis
(generalista)
P. rapae
(especialista)
Crecimiento
de larvas
Bruessow et al., Plant J 2010
Bonus tracks
2) Herbivore exploits orally secreted
bacteria to suppress plant defenses
Chung et al., PNAS 2013
Leptinotarsa decemlineata
(Colorado potato beetle)
Las larvas depositan secreciones orales sobre las hojas al alimentarse
Live images of larva depositing oral secretions during herbivory. A larva of Colorado potato beetle is depositing
oral secretions at the feeding site of a leaflet. Oral secretions are labeled with green fluorescent dye
Chung et al., PNAS 2013
Larvas de L. decemlineata fueron alimentadas con una dieta artificial
que contenía (AB+) o no contenía (AB-) antibióticos
Luego las larvas se pusieron a comer sobre hojas de tomate. Una hora
después se prepararon muestras de hojas para SEM
Dieta previa:
AB-
Dieta previa:
AB+
Chung et al., PNAS 2013
Niveles de expresión de genes marcadores de la vía del JA (CysPI) y del SA (PR-1)
en plantas control (Con) o con herbivoría de larvas previamente alimentadas con
dieta sin antibiótico (AB-) o con antibiótico (AB+)
Chung et al., PNAS 2013
Crecimiento de larvas neonatas al alimentarse sobre hojas que previamente habían
sido dañadas por otras larvas o mantenidas intactas (Con). Este último grupo de
larvas había sido previamente alimentado con dieta conteniendo (AB+) o no (AB-)
antibióticos.
Chung et al., PNAS 2013