Análisis transcriptómico de physcomitrella patens durante la interacción con el hongo patógeno colletotrichum gloeosporioides

RESUMEN Las malas prácticas de gestión agrícola y de los recursos hídricos, así como el uso excesivo de fertilizantes y pesticidas, han dado lugar a la erosión y la desertificación del suelo. Actualmente alrededor del 70% de los suelos tienen problemas de degradación en diferentes niveles, desde leves hasta extremos. El desarrollo de nuevas estrategias para el control de las enfermedades vegetales y para el mejoramiento de las plantas, reduciendo el empleo de fertilizantes industriales, puede constituir una alternativa que ayude a disminuir la contaminación y al mismo tiempo, controlar la incidencia de los patógenos resistentes. Physcomitrella patens es un organismo modelo ampliamente utilizado para el estudio de las respuestas de defensa en plantas. Colletotrichum gloeosporioides es un hongo fitopatógeno responsable de grandes pérdidas en la agricultura a nivel mundial. En este estudio se analizó mediante microscopía óptica, fenómica y transcriptómica comparativa la interacción entre P. patens y C. gloeosporioides. A partir de las 8 horas posteriores a la infección se observaron respuestas tanto celulares como moleculares de P. patens ante el ataque del patógeno, aun cuando los síntomas no eran visibles a simple vista. También se calculó el rendimiento cuántico de la fotosíntesis como medida indirecta del estrés en la planta, y se observó cómo este parámetro disminuye drásticamente en las muestras infectadas. Asimismo, se analizó el efecto de la aplicación las fitohormonas ácido salicílico y ácido jasmónico, en la respuesta de defensa de P. patens. Se observó que, en presencia de ácido salicílico y ácido jasmónico, disminuye significativamente el daño celular en P. patens ante la infección con C. gloeosporioides. Se obtuvo el transcriptoma de P. patens a las 8 y 24 horas de infección con C. gloeosporioides. El análisis bioinformático reveló que, debido al efecto de la infección 841 genes se regulan positivamente y 410 negativamente, mientras que como consecuencia de la duración de la infección 206 genes son regulados positivamente y 160 negativamente. Entre las principales rutas bioquímicas sobrerrepresentadas como consecuencia de la infección se encontró la síntesis de fenilpropanoides, que está estrechamente relacionado con la respuesta de defensa en plantas. También se encontraron sobrexpresadas las vías relacionadas con las especies reactivas del oxígeno (H2O2) y de síntesis y remodelación de componentes de la pared celular como lignanos, celulosa y pectina. Genes específicos de respuesta de defensa, como los que codifican para las proteínas tipo DIR1, ERG3 y SNC1 también estaban sobrexpresados, al igual que varios factores de transcripción típicos de las respuestas a estrés biótico en plantas. Sin embargo, no se encontraron diferencialmente expresados algunos genes típicos de la respuesta de defensa en plantas vasculares como el gen que codifica para la proteína reguladora NPR1 o los factores de transcripción WRKY.

ABSTRACT Poor agricultural and water management practices, as well as excessive use of fertilizers and pesticides, have led to soil erosion and desertification. Currently around 70% of soils have degradation problems at different levels, from mild to extreme. The development of new strategies to control plant diseases and to improve plants, reducing the use of industrial fertilizers, can be an alternative that helps to reduce contamination and, at the same time, control the incidence of resistant pathogens. Physcomitrella patens is a model organism widely used for the study of defense responses in plants. Colletotrichum gloeosporioides is a phytopathogenic fungus responsible for large losses in agriculture worldwide. In this study, the interaction between P. patens and C. gloeosporioides was analyzed using comparative light microscopy, phenomic, and transcriptomic. Since 8 hours after infection, both, cellular and molecular responses of P. patens to the attack of the pathogen were observed, even when the symptoms were not visible to the naked eye. The quantum yield of photosynthesis was also calculated as an indirect measure of stress in the plant. It was observed how this parameter decreases dramatically in the infected samples. Likewise, the effect of the application of the phytohormones salicylic acid and jasmonic acid on the defense response of P. patens was analyzed. It was observed that, in the presence of salicylic acid and jasmonic acid, cell damage in P. patens decreases significantly when infected with C. gloeosporioides. The P. patens transcriptome was obtained at 8 and 24 hours after infection with C. gloeosporioides. Bioinformatic analysis revealed that, due to the effect of infection, 841 genes are upregulated and 410 downregulated, while 206 genes are upregulated and 160 downregulated as a consequence of the duration of infection. Synthesis of phenylpropanoids was one of the main biochemical over-represented pathways as consequence of infection. This pathway is closely related to the defense response in plants. The pathways related to reactive oxygen species (H2O2) and synthesis and remodeling of cell wall components, such as lignans, cellulose and pectin were also overexpressed. Specific defense response genes, like those encoding DIR1, ERG3, and SNC1 porteins, were also overexpressed, as well as several transcription factors typical of responses to biotic stress in plants. However, some genes also typical of the defense response in vascular plants, such as genes encoding the regulatory protein NPR1 or transcription factors WRKY were not differentially expressed.