Oligogalacturonide signalling in plant innate immunity

Abstract

Necrotrophic phytopathogens, such as soft rot bacteria, cause large losses in agriculture. Unlike biotrophic pathogens, these typically rely on toxins and plant cell wall-degrading enzymes (PCWDEs) to kill and degrade the host tissue. As such, the methods utilised by the plants to defend themselves against biotrophs, such as the hypersensitivity response (HR), could instead be beneficial for necrotrophic pathogens. One key component in plant defence against necrotrophic pathogens is the recognition of oligogalacturonides (OGs), a breakdown product of the pectin in the plant cell wall, formed by the action of PCWDEs. Similar to direct recognition of the pathogen itself, recognition of OGs trigger a wide array of defence responses, resulting in improved protection against pathogens. Long OGs with a degree of polymerisation (DP) between 10 and 20 have been well studied. In this study, we explored the role of the relatively less understood short OGs (DP < 9). We utilised trimeric OGs to study the changes induced by short OGs on the transcriptome of Arabidopsis thaliana. We established that, similarly to long OGs, short OGs up-regulate genes related to defence and down-regulate genes related to plant growth and development. Phenotypic assays confirmed that pre-treatment with short OGs could improve resistance in A. thaliana against the soft rot bacteria Pectobacterium carotovorum, to the same degree as long OGs. Furthermore, we showed that treatment with both types of OGs results in seedling growth retardation. As part of investigating the signalling triggered by short OGs, we confirmed that trimeric OGs do not trigger the characteristic initial ROS (reactive oxygen species) burst, but do trigger expression of a large set of peroxidases. Similar to long OGs, part of the signalling in response to short OGs goes via phosphorylation of Mitogen-activated protein kinases (MAPKs). Our results show that short OGs are indeed biologically active elicitors of plant defence, with a signalling pathway that appears to be in part distinct from long OG signalling. We used the established trade-off between plant defence and plant growth and development to develop screens for mutants with altered OG sensitivity. One mutant line exhibiting hypersensitivity to OGs, resistance to the necrotrophic pathogens Botrytis cinerea and P. carotovorum, as well as sensitivity to the hemibiotrophic pathogen Pseudomonas syringae, was chosen for further studies. We established that the observed phenotypes were due to overexpression a cell wall-localised apoplastic peroxidase (class III peroxidase, CIII Prx) – PEROXIDASE 57 (PER57). We detected increased levels of ROS and increased cuticle permeability, associated with downregulation of genes involved in cutin formation and biosynthesis. We also observed a priming of OG related response genes. The phenotypes could be recaptured by overexpression of several CIII Prxs, indicating a general phenomenon. ABA treatment of these lines restored the phenotypes to wild-type. This appears to be mediated via removal of ROS. Noticeably, the peroxidase activity remained high in the peroxidase overexpression lines, indicating that while exogenous application of ABA was able to remove the ROS produced by the peroxidases it only had a minor direct effect on the activity of the peroxidases. Our results, combined with previous research on cuticular and ABA mutants, led us to propose that cuticle integrity is influenced by a positive feed-back loop. A disturbed cuticle leads to elevated ROS levels via increased peroxidase activity, which in turn impairs cuticle formation and biosynthesis. Under normal circumstances this loop is regulated by ABA. In the situation where a necrotrophic pathogen is invading the plant recognition of cell-wall derived DAMPs, such as OGs, it leads to activation of peroxidases that further promote resistance signalling via the creation of ROS.Nekrotrofiska patogener orsakar varje år stora förluster inom jordbruket och traditionella bekämpningsmedel är förknippade med diverse potentiella negativa sidoeffekter. För att kunna etablera ett hållbart framtida jordbruk är det essentiellt att förstå hur dessa patogener interagerar med sina värdväxter. Nektrotrofiska patogener är beroende av toxiner och cellväggsnedbrytande enzymer för att döda och bryta ner sina värdväxter. En nyckelkomponent i växternas försvar gentemot denna typ av patogener är förmågan att känna av närvaron av oligogalacturonider (OG), en nedbrytningsprodukt som bildas när de cellväggsnedbrytande enzymerna bryter ner pektinet i växternas cellväggar. Liknande direkt igenkänning av själva patogenen, leder igenkänningen av OG till att växterna aktiverar ett brett spektrum av försvarsmekanismer, vilket resulterar i förbättrat skydd gentemot patogener. Vi har nyttjat modellorganismen Arabidopsis thaliana för att undersöka vilken roll korta OG, med en polymeriseringsgrad under tio, spelar i växternas försvar gentemot den nektrotrofiska bakterien Pectobacterium carotovorum. Vi etablerade att korta OG uppreglerar gener relaterade till försvarsmekanismer och nedreglerar gener relaterade till tillväxt och utveckling. Vidare visade vi att denna genreglering resulterar i försvar gentemot patogener och inhibering av tillväxt. Denna respons visade sig inte gå genom den typiska initiala vågen av reaktiva syreföreningar, men åtminstone delvis via fosforylering av Mitogen-aktiverade proteinkinaser. Våra resultat visar att korta OG spelar en roll i växternas försvar gentemot patogener, med en signaleringsväg som delvis skiljer sig från långa OG. Vi använde den etablerade kompromissen mellan försvar och tillväxt för att hitta mutanter med förändrad förmåga att känna av OG. Vi valde att studera en hypersensitiv mutant som även visade sig vara resistent gentemot de nektrotrofiska patogenerna Botrytis cinerea och P. carotovorum, samtidigt som den var känslig gentemot den hemibiotrofiska patogenen Pseudomonas syringae. Vi etablerade att fenotyperna berodde på överuttryck av en cellväggslokaliserad apoplastisk peroxidas (klass III peroxidas, CIII Prx) – PEROXIDASE 57 (PER57). Vi detekterade höjda nivåer av reaktiva syreföreningar och förhöjd kutikulär permeabilitet associerad med nedreglering av gener involverade i nybildning av kutikula. Det visade sig att dessa fenotyper var generella för överuttryck av CIII Prx. Abskisinsyra (ABA) visade sig kunna återställa fenotyperna till vild-typ genom neutralisering av de reaktiva syreföreningarna. Sammantaget med tidigare forskning föreslår vi en modell där en störning hos växternas kutikula leder till ökade nivåer av reaktiva syreföreningar via ökad peroxidasaktivitet, vilket i sin tur leder till försämrad nybildning av kutikula. Under normala omständigheter regleras denna loop av ABA. När en nektrotrofisk patogen invaderar växten leder igenkänning av t.ex. OG till aktivering av peroxidaser, som i sin tur vidare förstärker försvarssignaleringen via bildandet av reaktiva syreföreningar