Caracterización de la familia ST en Medicago truncatula, un modelo para el estudio de esta nueva clase de proteínas vegetales

[ES] Las proteínas ST, son una familia de proteínas con secuencias repetidas en tándem que se han descrito en la familia de las fabáceas (De Vries y col., 1983; Muñoz y col., 1997). La secuencia PsaST2 de Pisum sativum fue el primer cDNA de tipo ST descrito en la bibliografía y se identificó como un transcrito específico de tallos (stem specific, lo que da nombre a la familia ST). Los estudios realizados hasta el momento en la familia génica ST en diferentes especies, sobre todo Cicer arietinum y P. sativum, pero también Vitis vinifera, Citrullus lanatus y Medicago truncatula, han permitido relacionarla con diferentes funciones durante el desarrollo de la planta: crecimiento (Williams y col., 1993; Muñoz y col., 1997; Hernández-Nistal y col., 2006; 2010), formación de frutos (Williams y col., 1993; Waters y col., 2005; Levi y col., 2006 Albornos y col., 2014) y semillas (Albornos y col., 2014) e interacciones bióticas (Liu y col., 2007. El objetivo general de este trabajo es definir y caracterizar la familia de proteínas ST y obtener una visión global de su posible participación en diferentes procesos del desarrollo vegetal utilizando M. truncatula como sistema modelo. Hemos encontrado que las proteínas ST son un nuevo tipo de proteínas exclusivas de algunas familias de dicotiledóneas dentro del Reino Vegetal. Se caracterizan por la presencia del dominio DUF2775 y están codificadas por familias multigénicas de hasta 6 miembros, como en M. truncatula. Los genes ST mantienen una estructura conservada con un intrón próximo al extremo 5¿. Las proteínas ST tienen 3 regiones bien diferenciadas: un péptido señal, una zona N-terminal no repetida y una zona de repeticiones en tándem. El núcleo de las repeticiones consiste en un hexapéptido muy conservado, seguido de un tetrapéptido variable que denominamos X4 y una Tyr en posición 11 totalmente conservada. Según la secuencia del tetrapéptido X4 se pueden dividir en tres tipos estructurales. A pesar de que las proteínas ST presentan ciertas similitudes con las proteínas con repeticiones en tándem de la Clase III, tienen características únicas que no permiten incluirlas claramente en ninguno de sus grupos, pudiendo ser proteínas intrínsecamente desestructuradas. (Publicado en Albornos y col., 2012) Las proteínas ST tienen un péptido señal que las introduce en la vía de secreción, si bien el análisis bioinformático no permitió determinar su localización subcelular. Sin embargo, los resultados obtenidos in vivo indican que las ST de M. truncatula se encuentran localizadas en la pared celular y, tres de ellas, ST2, ST3 y ST6 se sitúan también en el interior de la célula. Esto indica que la doble localización subcelular no es una característica común de todas las proteínas ST En el estudio de la función de las proteínas de la familia ST, nuestra hipótesis de partida fue que las proteínas ST podrían tener funciones específicas y, por lo tanto, los genes ST podrían estar regulados de forma diferencial durante el desarrollo de la planta y/o responder a distintos factores ambientales. En base a esta hipótesis, hemos estudiado cómo está regulada la expresión de cada uno de los genes de la familia ST de M. truncatula, analizando los promotores, in silico e in vivo, y estableciendo la acumulación de sus transcritos. Los promotores de los genes que codifican las 6 proteínas ST de Medicago truncatula se activan fundamentalmente en las raíces, sobre todo en los primeros momentos de su desarrollo, y en las zonas más jóvenes de plántulas tanto etioladas como verdes. Su actividad no depende de la luz y se asocia al cilindro vascular. Además, todos ellos se activan en diferentes etapas y/o tejidos durante el desarrollo de flores, frutos y semillas. A pesar de las características comunes en su actividad, especialmente en plántulas, cada promotor tiene una regulación diferente que puede depender de los diferentes elementos cis reguladores que se encuentran en los mismos. El estudio de los elementos cis reguladores y la actividad de los promotores, así como el análisis de la acumulación de los transcritos, revela diferencias significativas entre los 6 miembros de la familia multigénica de M. truncatula, lo que nos ha llevado a establecer 3 grupos funcionales, el formado por la proteína ST1, el que constituyen las proteínas ST2 y ST3; y el que engloba a las proteínas ST4, ST5 y ST6, confirmando nuestra hipótesis de partida de que cada ST puede tener funciones específicas. La proteína ST1 podría estar relacionada con el estatus nutricional de la planta, en concreto con el metabolismo y movilización del nitrógeno y el fosfato inorgánico. Su cercanía a la vasculatura, su presencia en células de transferencia y su actividad más marcada en etapas tempranas del desarrollo, apoyarían dicha función. Alguna de estas características sugieren su participación en diferentes tipos de simbiosis. A pesar de haber encontrado ciertas similitudes con las proteínas de reserva vegetativa, se ha descartado que pertenezcan a este grupo de proteínas así como que puedan estar relacionadas con los procesos de elongación, como se había determinado en otras especies. Las proteínas ST2 y ST3, cuyos transcritos son los más representados, forman un grupo funcional y parecen relacionadas con la protección frente a la desecación, de forma similar a las proteínas abundantes en la embriogénesis tardía o proteínas LEA, con las que comparten numerosas características estructurales y de localización en la planta. La protección de la deshidratación se daría tanto en procesos del desarrollo, en la desecación de la semilla o en el grano de polen, como en respuesta a condiciones de estrés hídrico ambiental. La localización subcelular de las proteínas ST3 en células plasmolizadas apoya esta función. Las proteínas ST4, ST5 y ST6 de la familia ST de M. truncatula parecen actuar principalmente en las interacciones bióticas, si bien cada una de ellas está asociada a una ruta diferente de señalización. La ST4 se acumularía en respuestas reguladas principalmente por MeJA, como la defensa a insectos herbívoros, mientras que la ST5 solo se produciría ante la activación de la señalización conjunta del MeJA y el ET, que se asocia a la defensa frente a patógenos necrotrofos. Por último, la ST6 participaría en aquellas repuestas relacionadas con la vía del SA, que se activa ante organismos biotrofos, lo que incluye las interacciones beneficiosas con hongos micorrícicos. Las 3 proteínas de este grupo funcional no estarían implicadas en procesos generales del desarrollo

Specific tissue proteins 1 and 6 are involved in root biology during normal development and under symbiotic and pathogenic interactions in Medicago truncatula

Specifc tissue (ST) proteins have been shown to be involved in several processes related to plant nutritional status, development, and responses to biotic agents. In particular, ST1 and ST6 are mainly expressed in roots throughout plant development. Here, we analyze where and how the expression of the genes encoding both proteins are modulated in the legume model plant Medicago truncatula in response to the plant developmental program, nodulation induced by a benefcial nitrogen-fxing bacterium (Sinorhizobium meliloti) and the defense response triggered by a pathogenic hemibiotrophic fungus (Fusarium oxysporum). Gene expression results show that ST1 and ST6 participate in the vasculature development of both primary and lateral roots, although only ST6 is related to meristem activity. ST1 and ST6 clearly display diferent roles in the biotic interactions analyzed, where ST1 is activated in response to a N2-fxing bacterium and ST6 is up-regulated after inoculation with F. oxysporum. The role of ST1 and ST6 in the nodulation process may be related to nodule organogenesis rather than to the establishment of the interaction itself, and an increase in ST6 correlates with the activation of the salicylic acid signaling pathway during the infection and colonization processes. These results further support the role of ST6 in response to hemibiotrophic fungi. This research contributes to the understanding of the complex network that controls root biology and strengthens the idea that ST proteins are involved in several processes such as primary and lateral root development, nodule organogenesis, and the plant–microbe interaction

Caracterización de la familia ST en Medicago truncatula, un modelo para el estudio de esta nueva clase de proteínas vegetales

[ES]Las proteínas ST, son una familia de proteínas con secuencias repetidas en tándem que se han descrito en la familia de las fabáceas (De Vries y col., 1983; Muñoz y col., 1997). La secuencia PsaST2 de Pisum sativum fue el primer cDNA de tipo ST descrito en la bibliografía y se identificó como un transcrito específico de tallos (stem specific, lo que da nombre a la familia ST). Los estudios realizados hasta el momento en la familia génica ST en diferentes especies, sobre todo Cicer arietinum y P. sativum, pero también Vitis vinifera, Citrullus lanatus y Medicago truncatula, han permitido relacionarla con diferentes funciones durante el desarrollo de la planta: crecimiento (Williams y col., 1993; Muñoz y col., 1997; Hernández-Nistal y col., 2006; 2010), formación de frutos (Williams y col., 1993; Waters y col., 2005; Levi y col., 2006 Albornos y col., 2014) y semillas (Albornos y col., 2014) e interacciones bióticas (Liu y col., 2007. El objetivo general de este trabajo es definir y caracterizar la familia de proteínas ST y obtener una visión global de su posible participación en diferentes procesos del desarrollo vegetal utilizando M. truncatula como sistema modelo. Hemos encontrado que las proteínas ST son un nuevo tipo de proteínas exclusivas de algunas familias de dicotiledóneas dentro del Reino Vegetal. Se caracterizan por la presencia del dominio DUF2775 y están codificadas por familias multigénicas de hasta 6 miembros, como en M. truncatula. Los genes ST mantienen una estructura conservada con un intrón próximo al extremo 5¿. Las proteínas ST tienen 3 regiones bien diferenciadas: un péptido señal, una zona N-terminal no repetida y una zona de repeticiones en tándem. El núcleo de las repeticiones consiste en un hexapéptido muy conservado, seguido de un tetrapéptido variable que denominamos X4 y una Tyr en posición 11 totalmente conservada. Según la secuencia del tetrapéptido X4 se pueden dividir en tres tipos estructurales. A pesar de que las proteínas ST presentan ciertas similitudes con las proteínas con repeticiones en tándem de la Clase III, tienen características únicas que no permiten incluirlas claramente en ninguno de sus grupos, pudiendo ser proteínas intrínsecamente desestructuradas. (Publicado en Albornos y col., 2012) Las proteínas ST tienen un péptido señal que las introduce en la vía de secreción, si bien el análisis bioinformático no permitió determinar su localización subcelular. Sin embargo, los resultados obtenidos in vivo indican que las ST de M. truncatula se encuentran localizadas en la pared celular y, tres de ellas, ST2, ST3 y ST6 se sitúan también en el interior de la célula. Esto indica que la doble localización subcelular no es una característica común de todas las proteínas ST En el estudio de la función de las proteínas de la familia ST, nuestra hipótesis de partida fue que las proteínas ST podrían tener funciones específicas y, por lo tanto, los genes ST podrían estar regulados de forma diferencial durante el desarrollo de la planta y/o responder a distintos factores ambientales. En base a esta hipótesis, hemos estudiado cómo está regulada la expresión de cada uno de los genes de la familia ST de M. truncatula, analizando los promotores, in silico e in vivo, y estableciendo la acumulación de sus transcritos. Los promotores de los genes que codifican las 6 proteínas ST de Medicago truncatula se activan fundamentalmente en las raíces, sobre todo en los primeros momentos de su desarrollo, y en las zonas más jóvenes de plántulas tanto etioladas como verdes. Su actividad no depende de la luz y se asocia al cilindro vascular. Además, todos ellos se activan en diferentes etapas y/o tejidos durante el desarrollo de flores, frutos y semillas. A pesar de las características comunes en su actividad, especialmente en plántulas, cada promotor tiene una regulación diferente que puede depender de los diferentes elementos cis reguladores que se encuentran en los mismos. El estudio de los elementos cis reguladores y la actividad de los promotores, así como el análisis de la acumulación de los transcritos, revela diferencias significativas entre los 6 miembros de la familia multigénica de M. truncatula, lo que nos ha llevado a establecer 3 grupos funcionales, el formado por la proteína ST1, el que constituyen las proteínas ST2 y ST3; y el que engloba a las proteínas ST4, ST5 y ST6, confirmando nuestra hipótesis de partida de que cada ST puede tener funciones específicas. La proteína ST1 podría estar relacionada con el estatus nutricional de la planta, en concreto con el metabolismo y movilización del nitrógeno y el fosfato inorgánico. Su cercanía a la vasculatura, su presencia en células de transferencia y su actividad más marcada en etapas tempranas del desarrollo, apoyarían dicha función. Alguna de estas características sugieren su participación en diferentes tipos de simbiosis. A pesar de haber encontrado ciertas similitudes con las proteínas de reserva vegetativa, se ha descartado que pertenezcan a este grupo de proteínas así como que puedan estar relacionadas con los procesos de elongación, como se había determinado en otras especies. Las proteínas ST2 y ST3, cuyos transcritos son los más representados, forman un grupo funcional y parecen relacionadas con la protección frente a la desecación, de forma similar a las proteínas abundantes en la embriogénesis tardía o proteínas LEA, con las que comparten numerosas características estructurales y de localización en la planta. La protección de la deshidratación se daría tanto en procesos del desarrollo, en la desecación de la semilla o en el grano de polen, como en respuesta a condiciones de estrés hídrico ambiental. La localización subcelular de las proteínas ST3 en células plasmolizadas apoya esta función. Las proteínas ST4, ST5 y ST6 de la familia ST de M. truncatula parecen actuar principalmente en las interacciones bióticas, si bien cada una de ellas está asociada a una ruta diferente de señalización. La ST4 se acumularía en respuestas reguladas principalmente por MeJA, como la defensa a insectos herbívoros, mientras que la ST5 solo se produciría ante la activación de la señalización conjunta del MeJA y el ET, que se asocia a la defensa frente a patógenos necrotrofos. Por último, la ST6 participaría en aquellas repuestas relacionadas con la vía del SA, que se activa ante organismos biotrofos, lo que incluye las interacciones beneficiosas con hongos micorrícicos. Las 3 proteínas de este grupo funcional no estarían implicadas en procesos generales del desarrollo

Tanscriptomic Study of the Soybean-Fusarium virguliforme Interaction Revealed a Novel Ankyrin-Repeat Containing Defense Gene, Expression of Whose during Infection Led to Enhanced Resistance to the Fungal Pathogen in Transgenic Soybean Plants

Fusarium virguliforme causes the serious disease sudden death syndrome (SDS) in soybean. Host resistance to this pathogen is partial and is encoded by a large number of quantitative trait loci, each conditioning small effects. Breeding SDS resistance is therefore challenging and identification of single-gene encoded novel resistance mechanisms is becoming a priority to fight this devastating this fungal pathogen. In this transcriptomic study we identified a few putative soybean defense genes, expression of which is suppressed during F. virguliformeinfection. The F. virguliforme infection-suppressed genes were broadly classified into four major classes. The steady state transcript levels of many of these genes were suppressed to undetectable levels immediately following F. virguliforme infection. One of these classes contains two novel genes encoding ankyrin repeat-containing proteins. Expression of one of these genes, GmARP1, during F. virguliforme infection enhances SDS resistance among the transgenic soybean plants. Our data suggest that GmARP1 is a novel defense gene and the pathogen presumably suppress its expression to establish compatible interaction

ST proteins, a new family of plant tandem repeat proteins with a DUF2775 domain mainly found in Fabaceae and Asteraceae

Abstract Background Many proteins with tandem repeats in their sequence have been described and classified according to the length of the repeats: I) Repeats of short oligopeptides (from 2 to 20 amino acids), including structural cell wall proteins and arabinogalactan proteins. II) Repeats that range in length from 20 to 40 residues, including proteins with a well-established three-dimensional structure often involved in mediating protein-protein interactions. (III) Longer repeats in the order of 100 amino acids that constitute structurally and functionally independent units. Here we analyse ShooT specific (ST) proteins, a family of proteins with tandem repeats of unknown function that were first found in Leguminosae, and their possible similarities to other proteins with tandem repeats. Results ST protein sequences were only found in dicotyledonous plants, limited to several plant families, mainly the Fabaceae and the Asteraceae. ST mRNAs accumulate mainly in the roots and under biotic interactions. Most ST proteins have one or several Domain(s) of Unknown Function 2775 (DUF2775). All deduced ST proteins have a signal peptide, indicating that these proteins enter the secretory pathway, and the mature proteins have tandem repeat oligopeptides that share a hexapeptide (E/D)FEPRP followed by 4 partially conserved amino acids, which could determine a putative N-glycosylation signal, and a fully conserved tyrosine. In a phylogenetic tree, the sequences clade according to taxonomic group. A possible involvement in symbiosis and abiotic stress as well as in plant cell elongation is suggested, although different STs could play different roles in plant development. Conclusions We describe a new family of proteins called ST whose presence is limited to the plant kingdom, specifically to a few families of dicotyledonous plants. They present 20 to 40 amino acid tandem repeat sequences with different characteristics (signal peptide, DUF2775 domain, conservative repeat regions) from the described group of 20 to 40 amino acid tandem repeat proteins and also from known cell wall proteins with repeat sequences. Several putative roles in plant physiology can be inferred from the characteristics found.</p

Three members of Medicago truncatula ST family are ubiquitous during development and modulated by nutritional status (MtST1) and dehydration (MtST2 and MtST3)

Abstract Background ShooT specific/Specific Tissue (ST) belong to a protein family of unknown function characterized by the DUF2775 domain and produced in specific taxonomic plant families, mainly Fabaceae and Asteraceae, with the Medicago truncatula ST family being the largest. The putative roles proposed for this family are cell elongation, biotic interactions, abiotic stress and N reserve. The aim of this work was to go deeper into the role of three M. truncatula ST proteins, namely ST1, ST2 and ST3. Our starting hypothesis was that each member of the family could perform a specific role, and hence, each ST gene would be subjected to a different type of regulation. Results The search for cis-acting regulatory elements (CREs) in silico in pST1, pST2 and pST3 promoters showed prevalence of tissue/organ specific motifs, especially root- and seed-specific ones. Light, hormone, biotic and abiotic related motifs were also present. None of these pSTs showed the same combination of CREs, or presented the same activity pattern. In general, pST activity was associated with the vascular cylinder, mainly in roots. Promoter activation was highly specific and dissimilar during reproductive development. The ST1, ST2 and ST3 transcripts accumulated in most of the organs and developmental stages analysed - decreasing with age - and expression was higher in the roots than in the aerial parts and more abundant in light-grown plants. The effect of the different treatments on transcript accumulation indicated that ST1 behaved differently from ST2 and ST3, mainly in response to several hormones and dehydration treatments (NaCl or mannitol), upon which ST1 transcript levels decreased and ST2 and ST3 levels increased. Finally, the ST1 protein was located in the cell wall whereas ST2 and ST3 were present both in the cytoplasm and in the cell wall. Conclusions The ST proteins studied are ubiquitous proteins that could perform distinct/complementary roles in plant biology as they are encoded by differentially regulated genes. Based on these differences we have established two functional groups among the three STs. ST1 would participate in processes affected by nutritional status, while ST2 and ST3 seem to act when plants are challenged with abiotic stresses related to water stress and in physiologically controlled desiccation processes such as the seed maturation