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Ver el documento (formato PDF)   Peluffo, Lucila.  "Caracterización de los mecanismos de defensa a sclerotinia sclerotiorum, agente causal de la podredumbre del estudio de perfiles metabólicos y transcripcionales"  (2010)
Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires
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Resumen:
En Argentina, la podredumbre húmeda del capítulo, causada por el patógeno necrotrófico Sclerotinia sclerotiorum, es una enfermedad que provoca serias mermas en la producción y tiene una incidencia anual promedio sobre la producción de la pampa húmeda del 10-20%. Los síntomas de la enfermedad se manifiestan al final de la etapa de floración o durante el llenado de granos por lesiones en el receptáculo que pueden extenderse y afectar todo el capítulo, produciendo la caída del mismo. En estados avanzados de podredumbre, se forman esclerocios, estructuras de resistencia del hongo, que pueden permanecer en los tejidos o en suelo y mantenerse viables por más de 8 años constituyendo el inóculo para futuras infecciones. La resistencia a Sclerotinia sclerotiorum en girasol es compleja, habiéndose detectado varios loci de carácter cuantitativo (QTL) específicos de línea, órganos y condiciones ambientales de crecimiento. Dicha complejidad ha limitado el desarrollo de germoplasma resistente por medio del mejoramiento clásico, reforzando la necesidad de la utilización de herramientas genómicas que incluyan tanto marcadores neutros para el mapeo de QTL como el desarrollo de marcadores funcionales desarrollados sobre genes candidatos para la resistencia al patógeno. El conocimiento de los factores determinantes de la patogénesis y las respuestas de defensa del hospedante constituyen factores claves para la identificación de dichos genes candidatos. Uno de los aspectos más destacados del mecanismo de invasión de S. sclerotiorum es la degradación de la pared celular, siendo el ácido oxálico producido por el patógeno uno de los determinantes de la patogénesis, a través de la acidificación y el secuestro de Ca^2+ de la pared celular del tejido hospedante. Asimismo, el ácido oxálico ejerce una regulación dual de la producción de especies reactivas de oxigeno (ROS). Por un lado, en los primeros estadios de la infección el ácido oxálico induce la generación de ROS y la inducción de una muerte celular programada (PCD) en una marera dependiente del pH generando un ambiente favorable para el desarrollo del patógeno, la adquisición de nutrientes y el establecimiento de la relación necrotrófica. Por el otro lado a medida que la infección progresa y al ácido oxálico se acumula en los tejidos del hospedante, el pH disminuye acompañado de la inhibición del estallido oxidativo y la PDC provocando así la muerte celular pero de una manera necrotrófica. En el presente trabajo se abordó el análisis del perfil metabólico primario, el perfil transcripcional de genes candidatos y los perfiles hormonales de dos líneas de girasol con comportamiento contrastante frente a la infección producida por S. sclerotiorum (HA 89 susceptible y RHA801 moderadamente resistente). Aplicando un método de estudio de perfiles metabólicos basado en la técnica de GC/MS, fue posible detectar diferentes patrones involucrando 63 metabolitos entre ellos azucares, aminoácidos, ácidos orgánicos, ácidos grasos y algunos metabolitos secundarios en flores de girasol que constituyen el órgano principal de infección de este patógeno. Los análisis estadísticos paramétricos y multivariados mostraron diferencias metabólicas entre estos dos líneas, así como también efectos de interacción entre línea y los días post inoculación. Los análisis de correlación de redes sugieren que estos cambios metabólicos están sincronizados en una manera dependiente del tiempo en respuesta al patógeno. Se detectaron mayor cantidad de cambios metabólicos diferenciales en la línea susceptible que en la resistente, esto se evidencia en el mayor número de interconexiones que presenta la línea susceptible entre los módulos de metabolitos formados por compuestos pertenecientes a las mismas vías. Por otro lado, la línea resistente muestra mayor interconexión entre metabolitos pertenecientes a las mismas vías. La evaluación de estos datos también demuestra una regulación línea específica de las distintas vías metabólicas, sugiriendo la importancia de detección de patrones metabólicos, en lugar de cambios específicos de metabolitos individuales, cuando se buscan marcadores metabólicos que responden diferencialmente a la infección der patógenos. Por otra parte el análisis de patrones de actividad de enzimas claves del metabolismo primario del carbono (sacarosa sintasa y las invertasas de pared celular, citológica y vacuolar), foto-respiración (catalasa) y del metabolismo de los fenilpropanoides (fenilalanina-amonio-liasa-PAL), mostró también diferencias entre líneas a tiempos tempranos del proceso de infección. La actividad catalasa presentó un aumento significativo en la línea resistente, que indicaría una regulación diferencial de la fotorespiración frente a la infección del patógeno, disminuyendo el nivel de ROS. Para la identificación de nuevos genes candidatos involucrados en la resistencia a este patógeno se construyeron colecciones de ADNc basadas en la técnica SSH de flores de girasol inoculadas y no inoculadas a partir de una línea resistente a los 2 y 4 días post inoculación. Esta estrategia dio como resultado la obtención de secuencias diferencialmente expresadas entre las flores inoculadas y no inoculadas. La mayoría de estos genes están involucrados en los procesos de traducción de proteínas, en los procesos de óxido reducción entre los cuales se encuentra un gran número de genes de respuesta a estreses biótico y abiótico, numerosos genes involucrados en el metabolismo primario. Del mismo modo, también se detectó un alto porcentaje de secuencias sin similitud con secuencias disponibles en bases de datos, sugiriendo que podrían codificar para genes no descriptos previamente, involucrados en la respuesta del girasol frente a este patógeno. De las clonotecas generadas se seleccionó un conjunto de genes para validar su comportamiento por qRT-PCR. De este conjunto, los genes quitinasa, un elemento de respuesta a etileno y el factor de transcripción WRKY7 mostraron patrones de expresión diferenciales entre las muestras inoculadas y controles a los distintos días post inoculación, sugiriendo que estos genes se encuentran involucrados en la respuesta del girasol frente a S. sclerotiorum. Asimismo se identificó un número importante de genes asociados a defensa a patógenos que se expresan en altos niveles en flores de girasol de la línea resistente aún en condiciones control, sin inoculación con el patógeno. Se estudiaron los perfiles hormonales para el ácido salicílico y para el ácido jasmónico por medio de la técnica LC-ESI-MS/MS. Estos estudios corroboraron que el ácido salicílico no contribuye a la resistencia contra S. sclerotiorum y que además se acumula en los tejidos infectados por este hongo, particularmente en la línea susceptible. A su vez, estos estudios demostraron que el jasmónico estaría asociado a la resistencia frente a este patógeno en las flores de girasol de la línea resistente. La integración del análisis de perfiles metabólicos, transcripcionales y perfiles hormonales contribuyó a una mejor comprensión de los cambios en el metabolismo en los capítulos de girasol durante los primeros estadios de la infección facilitando la identificación de genes y vías metabólicas involucradas en la respuesta al patógeno necrotrófico S. sclerotiorum. Asimismo la identificación de cambios en perfiles metabólicos y transcripcionales de genes candidatos, entre líneas resistentes y susceptibles, posibilita el desarrollo de biomarcadores metabólicos y marcadores funcionales para su aplicación en el mejoramiento asistido del cultivo de girasol.

Abstract:
Sclerotinia sclerotiorum, the causal agent of sunflower head rot, represents one of the main constrains in sunflower production in Argentina, with an average annual incidence of 10-20% of total yield of the main growing area, especially when flowering takes place during periods ofexcessive rainfall. The symptoms appeared at the end of the flowering stage or during grain filling, as water-soaked lesions on the receptacles. The fungus can decay the entire receptacle leaving only a bleached, shredded skeleton with large sclerotia. These sclerotia are resistance structures that can remain viable for more than 8 years in the soil and are main sources of inoculum for future infection. S. sclerotiorum resistance in sunflower is complex; several underlying QTLs were found to be specific for genotype, organ and environmental conditions. This complexity has limited the development of resistant genotypes by classical breeding, thus strengthening the need of using genomic tools such as neutral markers for QTL mapping and the development of functional markers based on candidate genes for resistance to this pathogen, for association mapping.. Insights into pathogenesis determinant factors and host defense responses are key factors for the identification of candidate genes. Degradation of plant cell wall is of major importance in the S. sclerotiorum invasion. Oxalic acid (OA) secreted by this pathogen induced pathogenesis by lowering the pH and chelating host cell-wall-Ca^2+ In the early stages of the infection process, low levels of OA elicits reactive oxygen species production (ROS) in host plant tissues, triggering programmed cell death and thus, creating a favorable environment for its development. As OA accumulates, the pH is lowered and the interaction becomes necrotrophic in nature, with the concomitant suppression of ROS and PCD, enabling further pathogen invasion of plant tissue. In the present work primary metabolic profiling, transcriptional profiling of candidate genes and phytohormone profiling was conducted in two sunflower inbred lines with contrasting behavior to S.sclerotiorum infection (HA89 susceptible, RHA801 resistant) Applying a metabolic profiling approach based on GC/MS, different patterns were identified, involving 63 metabolites including major and minor sugars and sugar alcohols, organic acids, amino acids, fatty acids and few soluble secondary metabolites in the sunflower capitulum, the main target organ of pathogen attack. Both point-by-point and non-parametric statistical analyses showed metabolic differences between genotypes as well as interaction effects between genotype and time after inoculation. Network correlation analyses suggested that these metabolic changes were synchronized in a time-dependent manner in response to the pathogen. Differential metabolic changes were detected to a higher extent in the susceptible line rather than in the moderate resistant line, this is in the susceptible line a higher number of interconnection are observed between modules composed by intermediates of the same pathway. Instead, in the resistant one, larger connections of metabolites within modules were detected. Evaluation of these data also demonstrated a genotype specific regulation of distinct metabolic pathways, suggesting the importance of detection of metabolic patterns rather than specific metabolite changes when looking for metabolic markers differentially responding to pathogen infection. The enzymatic activity analysis of key enzymes of the primary carbon (sucrose synthase and cell wall, cytosolic and vacuolar invertases), photorespiratory (catalase) and phenylpropanoid metabolism (phenylalanine ammonia-lyase -PAL-) showed differences between genotypes at early time point of the infection progress. A significant threefold increase in the catalase activity of the resistant genotype was observed, indicating a differential regulation in photorespiration in response to pathogen infection by lowering ROS levels. Subtractive cDNA libraries of inoculated and mock inoculated flowers at 2 y 4 DPI were constructed for identification of candidate genes involved in S. sclerotiorum resistance using a PCR-based suppression subtractive hybridization (SSH) method. Differentially expressed sequences between inoculated and mock inoculated flowers were obtained, including sequences coding for genes involved in protein transduction process, oxidorreduction process, genes involved in abiotic and biotic stress responses, genes involved in primary metabolism and a high number of sequences with no homology to sequences deposited in data bases, suggesting that they could be coding for new genes involved in sunflower response to S. Sclerotiorum. A group of 16 genes was selected for validating these libraries by qRT-PCR, genes coding for chitinase (AN: ABJ74186), Ethylene responsive element (AN: XP_002275892) and the transcription factor WRKY7 showed differential expression patterns between inoculated and mock inoculated flowers, suggesting that these genes are involved in sunflower response to S. sclerotiorum. Besides, a large number of defense-related genes were identified as constitutively expressed in mock inoculated flowers of the resistant genotype. Hormonal profiling analysis of Salicylic and jasmonic acid levels were determined by LC-ESI- MS/MS at different time points after inoculation in inoculated and mock inoculated sunflower flowers. These studies support the findings that SA does not contribute to resistance against S. sclerotiorum, moreover SA accumulation was induced in diseased tissues particularly in the susceptible genotype. Furthermore this work showed that JA was associated to resistance against this pathogen in sunflower capitula. The integration of metabolic, transcription and hormone profiling analysis contributed towards a better understanding of sunflower capitulum metabolism changes during the early stages of infection, greatly facilitate the selection of candidate genes for this plant-pathogen interaction, thus allowing the development of metabolic biomarkers and functional markers based on candidate genes, for application in sunflower breeding programs.

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Registro:
Título : Caracterización de los mecanismos de defensa a sclerotinia sclerotiorum, agente causal de la podredumbre del estudio de perfiles metabólicos y transcripcionales    
Autor : Peluffo, Lucila
Director : Heinz, Ruth
Consejero : Hopp, Esteban
Jurados : López, S.  ; Chan, R.  ; Bravo-Almonacid, F.
Año : 2010
Editor : Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Universidad de Buenos Aires
Filiación : Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales
Instituto de biotecnología, CICVyA, INTA-Castelar
Grado obtenido : Doctor de la Universidad de Buenos Aires en el área de Ciencias Biológicas
Ubicación : Preservación - http://digital.bl.fcen.uba.ar/gsdl-282/cgi-bin/library.cgi?a=d&c=tesis&d=Tesis_4765_Peluffo
Idioma : Español
Area Temática : Biología / Agrobiotecnología
Biología / Fisiología Vegetal
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