Rol funcional del metabolismo de Carotenoides durante la inmunidad gatillada por patrones moleculares en Prunus Avium CV. Lapins

Abstract

El cerezo (Prunus avium cv. Lapins) enfrenta desafíos fitosanitarios significativos, como el cancro bacteriano causado por Pseudomonas syringae pv. syringae (Pss), o el tizón de la flor y la pudrición gris en los frutos generados por Botrytis cinerea, lo que ha impulsado la búsqueda de estrategias de manejo. Se propone en la presente investigación que el estudio de la inmunidad vegetal puede generar las herramientas para mitigar dicha problemática. La inmunidad vegetal se basa en el reconocimiento de patrones moleculares asociados a microorganismos, MAMPs (microorganism-associated molecular patterns), mediante PRRs (pattern recognition receptors), desencadenando la PTI (Pattern Triggered Immunity). Esto activa mecanismos de defensa tales como un estallido oxidativo, reprogramación transcripcional, síntesis de metabolitos secundarios, inducción de resistencia a enfermedades y en algunos casos, muerte celular programada. Interesantemente, se han descrito variaciones en la expresión de genes asociados al metabolismo de los carotenoides en plantas elicitadas con MAMPs. Los carotenoides son pigmentos antioxidantes precursores de apocarotenoides como el ácido abscísico (ABA), hormona relevante en conferir tolerancia a estrés abiótico y en la defensa a ciertos patógenos. La presente investigación analiza la inmunidad activada por dos MAMPs: la xilanasa inductora de etileno, xyn11/eix, y el epítopo de 22 aminoácidos de la flagelina bacteriana, flg22. Se conoce que estos MAMPs son reconocidos por los receptores de tomate SlEIX2 y SlFLS2, respectivamente. Se caracterizaron PRRs del cerezo (Pa PRRs) que reconocen a xyn11/eix y flg22, investigando el papel del metabolismo de los carotenoides durante PTI. Los genes PaEIX2 y PaFLS2 identificados en cerezo son secuencias ortólogas a los receptores de tomate SlEIX2 y SlFLS2, y poseen los dominios típicos de receptores PRR funcionales. Además, mediante expresión heteróloga en tabaco se determinó su localización en la membrana plasmática y capacidad para activar la inmunidad de tipo PTI al inducir el estallido oxidativo y, en el caso de PaEIX2, también la muerte celular programada. Se evaluó adicionalmente la inducción de PTI en cerezo por los MAMPs xyn11/eix y flg22, observándose que estos elicitores generan una respuesta diferencial en la expresión de genes de defensa y en la intensidad en respuestas de defesa. Flg22 redujo significativamente la susceptibilidad a P. syringae pv syringae (Pss), mientras que xyn11/eix fue más efectivo contra Botrytis cinerea (Bc), evidenciando especificidad funcional en las rutas de señalización asociadas. Por otro lado, aunque la elicitación con flg22 y xyn11/eix no indujo una acumulación significativa de carotenoides, se identificaron variaciones en la expresión de genes clave de su metabolismo. Por su parte flg22 provocó un aumento temprano y transitorio de ABA, posiblemente relacionado con mecanismos de defensa como la modulación estomática o el ajuste osmótico. En contraste, xyn11/eix no indujo cambios relevantes en ABA, pero sí en la producción de etileno, sugiriendo respuestas diferenciales en cerezo ante cada MAMP. Estos resultados reflejan diferencias en los mecanismos de percepción y señalización asociados a cada MAMP en el cerezo, así como la naturaleza específica de las respuestas defensivas. Finalmente, se exploró el efecto de la aplicación exógena de carotenoides, demostrando que esta estrategia reduce la susceptibilidad a Pss de manera dependiente de la concentración y del tiempo post-aplicación. Sin embargo, su eficacia fue limitada frente a Bc, lo que resalta la especificidad de las interacciones planta-patógeno y la necesidad de investigar otros factores moduladores. De esta manera, esta investigación puede sentar las bases de nuevas estrategias de manejo fitosanitario en frutales de relevancia comercial.

Cherry (Prunus avium cv. Lapins) faces significant phytosanitary challenges, such as bacterial canker caused by Pseudomonas syringae pv. syringae (Pss), and blossom blight and gray mold in fruits caused by Botrytis cinerea. These issues have driven the search for alternative management strategies. This research proposes that studying plant immunity can provide tools to address these problems. Plant immunity relies on the recognition of microorganism-associated molecular patterns (MAMPs) by pattern recognition receptors (PRRs), triggering pattern-triggered immunity (PTI). This activation leads to defense mechanisms such as oxidative bursts, transcriptional reprogramming, secondary metabolite synthesis, disease resistance induction, and, in some cases, programmed cell death. Interestingly, variations in the expression of genes associated with carotenoid metabolism have been described in plants elicited with MAMPs. Carotenoids are antioxidant pigments and precursors of apocarotenoids, such as abscisic acid (ABA), a hormone crucial for conferring tolerance to abiotic stress and defense against certain pathogens. This study analyzes immunity activated by two MAMPs: the ethylene-inducing xylanase, xyn11/eix, and the 22-amino-acid epitope of bacterial flagellin, flg22. These MAMPs are recognized by tomato receptors SlEIX2 and SlFLS2, respectively. Cherry PRRs (Pa-PRRs) that recognize xyn11/eix and flg22 were characterized, investigating the role of carotenoid metabolism during PTI. The genes PaEIX2 and PaFLS2 identified in cherry are orthologous sequences to tomato receptors SlEIX2 and SlFLS2 and possess the typical domains of functional PRRs. Additionally, heterologous expression in tobacco determined their plasma membrane localization and their ability to activate PTI by inducing an oxidative burst and, in the case of PaEIX2, also programmed cell death. PTI induction in cherry by xyn11/eix and flg22 was further evaluated, revealing that these elicitors generate differential responses in defense gene expression and defense intensity. Flg22 significantly reduced susceptibility to P. syringae pv. syringae (Pss), while xyn11/eix was more effective against Botrytis cinerea (Bc), demonstrating functional specificity in associated signaling pathways. Although elicitation with flg22 and xyn11/eix did not significantly increase carotenoid accumulation, variations were identified in the expression of key genes in their metabolism. Flg22 induced an early and transient increase in ABA, possibly related to defense mechanisms such as stomatal modulation or osmotic adjustment. In contrast, xyn11/EIX did not induce significant changes in ABA levels, but did enhance ethylene production, suggesting differential responses in cherry to each MAMP. These results highlight differences in the perception and signaling mechanisms associated with each MAMP in cherry, as well as the specific nature of defensive responses. Finally, the effect of exogenous carotenoid application was explored, demonstrating that this strategy reduces susceptibility to Pss in a concentration- and time-dependent manner. However, its efficacy was limited against Bc, underscoring the specificity of plant-pathogen interactions and the need to investigate additional modulatory factors. This research lays the groundwork for new phytosanitary management strategies in commercially important fruit crops.