Genetic profiling of the interactions between soft rot Pectobacterium species and plants

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-0836-4
Title: Genetic profiling of the interactions between soft rot Pectobacterium species and plants
Author: Broberg, Martin
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Biological and Environmental Sciences, Department of Biosciences, Division of Genetics
Department of Agricultural Sciences, Faculty of Agriculture and Forestry, University of Helsinki, Finland
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2015-03-20
Belongs to series: Dissertationes Schola Doctoralis Scientiae Circumiectalis, Alimentarie, Biologicae
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-0836-4
http://hdl.handle.net/10138/153595
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: The interactions between phytopathogenic bacteria and their host plants can be characterized as an intricate web of signals and appropriate responses. Phytopathogenic soft rot bacteria occur globally, causing disease in Solanum tuberosum (potato) and other tubular staple foods in both the field and storage. One widely studied soft rot bacterium is Pectobacterium wasabiae, which has been identified in Eutrema wasabi (wasabi) plants in Japan and in potatoes in Finland. Generally, the interactions between this type of bacterium and host plants are characterized by maceration of plant tissue, due to the actions of secreted plant cell wall degrading enzymes (PCWDE), and the induction of phytohormone dependent defenses in the plants. The maceration of plant tissue involves the release of pectic oligogalacturonides (OGs) from plant cell walls. OGs have been identified as important signaling compounds, inducing the expression of a variety of defense-related genes. As the bacterial infection advances, the bacteria coordinate the production of virulence factors by utilizing regulatory proteins that modulate the transcriptome. Transcriptomic analyses have been used extensively in past studies to identify regulatory networks and signaling pathways, and these studies have provided insights into the processes underlying plant-pathogen interactions. The novel scientific results of this dissertation are derived from a combination of transcriptomic, genomic, genetic, and phenotypic analyses. This study analyzed various aspects of plant-pathogen interactions. The central bacterial model used was P. wasabiae, and the model plant of interest was Arabidopsis thaliana. This study characterized the genome of P. wasabiae via sequencing and bioinformatics analysis. Various virulence associated genes and operons, such as two distinct type 6 secretion systems, were identified and annotated. The bacterium was found to in fact be more related to P. wasabiae than Pectobacterium carotovorum, which the strain originally had been named after. Furthermore, a combination of functional genetics and transcriptomic methods, such as reverse transcription quantitative PCR (RT-qPCR) and microarrays, were used to determine the regulons controlled by the proteins ExpA and RsmA in P. wasabiae. These two proteins have been identified as important for the virulence of several γ-proteobacterial pathogens. This study analyzed the regulons via the use of three mutants: expA, rsmA, and an expA rsmA double mutant (DM). Overlapping and independently regulated targets were identified between ExpA and RsmA. Phenotypic assays for motility, growth, PCWDE activity, and virulence confirmed the transcriptomic data for the mutant strains. Novel findings included reduction of swimming motility in agar medium for P. wasabiae expA and rsmA mutants. In addition, the DM exhibited enhanced virulence and fitness in planta compared to either single mutant. Via analysis of transcriptomic data, a subset of genes was identified as affected in expression by an expA mutation independently of the presence of rsmA. The relatively unexplored role of short OGs (with a degree of polymerization (DP) less than 10) in damage-associated molecular pattern (DAMP) signaling in A. thaliana was characterized in this study. Comparative gene expression profiling based on RNA sequencing and RT-qPCR was performed on RNA harvested from plants treated with short OGs or with a mock suspension. Phenotypic assays confirmed the gene expression data. In a meta-data analysis, the resulting RNA sequencing and RT-qPCR data were compared with gene expression data from previous studies, in which long OGs (DP more than 10) were used to treat plants. This work demonstrated that short and long OGs induce genes and genesets associated with pathogen defense and phytohormone signaling, whereas reducing plant growth and development. The transcriptomic data of this study suggests that plant treatment with a mixture of short or long OGs yields a more pronounced and varied modulation of global gene expression, compared to treatment with only trimeric OGs. The regulation of the virulence of P. wasabiae, and the DAMP signaling triggered by plant cell wall damage in A. thaliana, are elements of the interactions between the plant and pathogen. The studies presented in this dissertation provide novel information about these two biological processes and highlights their connection.Interaktionerna mellan fytopatogena bakterier och deras värdväxter kan karaktäriseras som ett komplicerat nätverk av signaler och lämpliga svar. Fytopatogena blötrötebakterier förekommer globalt, och orsakar sjukdom i Solanum tuberosum (potatis) och andra knölväxter för basföda i både fält och lagringrum. En väldigt studerad blötrötebakterie är Pectobacterium wasabiae, som blivit identifierad i Eutrema wasabi (wasabi) växter i Japan och i potatis i Finland. Generellt så är interaktionerna mellan denna typ av bakterie och värdväxter karaktäriserade av nedbrytning utav växtvävnad, på grund av växtcellväggsnedbrytande enzymer, samt induktionen av fytohormonberoende försvar hos växterna. Nedbrytningen av växtvävnader involverar utsläpp av pektiska oligogalakturonider (OGs) från växtcellväggarna. OGs har identifierats som viktiga signalföreningar, som inducerar uttrycket av en varieté av försvarsrelaterade gener. Medan bakterieinfektionen avancerar koordinerar bakterierna produktionen av virulensfaktorer genom användandet av regleringsproteiner som modulerar transkriptomet. Transkriptomiska analyser har använts i stor utsträckning i tidigare studier för att identifiera regleringsnätverk och signaleringsvägar i växter, och dessa studier har gett insikt i anpassning och infektionsprocesser hos både växter och bakterier. De nya vetenskapliga resultaten i denna avhandling är härledda från en kombination av transkriptomiska, genomiska och genetiska analyser. Denna studie karaktäriserar olika aspekter av växt-patogen interaktioner. Den centrala bakteriemodellen som använts var P. wasabiae, och modellväxten av intresse var Arabidopsis thaliana. I fallet för P. wasabiae, så användes en kombination av funktionell genetik och transkriptomiska metoder, såsom omvänd transkription kvantitative polymeras kedjereaction (RT-qPCR) och mikroarrayer, för att identifiera regulonen kontrollerade av ExpA och RsmA. Dessa två proteiner har identifierats som viktiga för virulensen för flera γ-proteobakteriella patogener. Denna studie jämförde regulonen via användandet av tre mutanter: expA, rsmA och en expA rsmA dubbelmutant (DM). Transkriptomanalyser identifierade överlappande och självständigt reglerade mål mellan ExpA och RsmA. Fenotypiska prov för motilitet, tillväxt, enzymaktivitet och virulens bekräftade den transkriptomiska datan för mutantstammarna. Nya upptäckter inkluderade reduktionen av simmningsmotilitet i agarmedium och överlevnad in planta för P. wasabiae expA och rsmA mutanter. Dessutom, en grupp gener identifierades via analys av transkriptomikdata som påverkade i expression av en expA mutation oberoende av närvaro av RsmA. Den relativt outforskade rollen för korta OGs (med en polymeriseringsgrad (DP) under 10) inom skadeassocierade molekylära mönster (DAMP) signalering i A. thaliana karaktäriserades i denna studie. Komparativ genuttrycksprofilering baserat på RNA-sekvensering och RT-qPCR utfördes på RNA som skördats från växter som behandlats med korta OGs eller en falskbehandling. Fenotyptest bekräftade genexpressionsdatan. Vid en metadataanalys jämfördes den resulterande datan från RNA-sekvensering och RT-qPCR med genexpressionsdata från tidigare studier, där långa OGs (DP över 10) använts för att behandla växter. Detta arbete demonstrerade att korta OGs, liksom långa OGs, inducerar gener associerade med patogenförsvar och fytohormonsignalering. Vidare, korta och långa OGs påvisades nedreglera gener associerade med växttillväxt och utveckling. Transkriptomikdatan i denna studie föreslår även att växtbehandling med en blandning av korta OGs samt långa OGs har en stor och varierad inverkan, jämfört med behandling med endast trimera OGs. Regleringen av virulens hos P. wasabiae och DAMP signaleringen som utlöses av växtcellväggsskada i A. thaliana är element av interaktionerna mellan växt och fytopatogen. Studierna i denna avhandling tillhandhåller ny information om dessa två biologiska processer och markerar deras samband.
Subject: genetics
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
dissertation.pdf 3.151Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record