Calcium-dependent protein kinases in the stress signaling cascades of rice plants

Abstract

Les proteïnes quinasa dependents de calci (CDPKs o CPKs) són components de senyalització presents en molts aspectes de la biologia de les plantes, des dels processos de desenvolupament fins a les respostes a estrès. Aquesta tesi aborda la identificació i la caracterització funcional de les isoformes OsCPK que intervenen en la resposta de defensa de l’arròs contra els patògens, així com la seva contribució a d´altres vies de senyalització. Aquests estudis són necessaris per entendre les interaccions entre diferents vies de senyalització d’estrès i desenvolupament. Un millor coneixement d’aquestes interaccions entre vies de senyalització, i la identificació dels components que les regulen, són importants per al disseny d’estratègies de millora de la tolerància a estrès en plantes. Tots aquests estudis s’apliquen a l’arròs, un important cultiu tant econòmic com social a nivell mundial. El treball d’aquesta tesi es divideix en tres capítols. El primer capítol es centra en la identificació de gens OsCPK implicats en la resposta de defensa contra el fong del cremat de l’arròs, Magnaporthe oryzae, mitjançant una anàlisi d’expressió global. Aquests estudis es complementen amb anàlisis específiques dels perfils d’expressió en els quals s’identifiquen OsCPK4 i OsCPK10 com a gens induïts en resposta a la infecció per M. oryzae, encara que els gens OsCPK13 i OsCPK5 també responen a elicitors fúngics. El segon capítol aborda la caracterització funcional del gen OsCPK4 en la resposta de defensa de l’arròs contra M. oryzae. La sobreexpressió d´OsCPK4 confereix una millor resistència a la infecció de M. oryzae en les plantes d’arròs potenciant les seves respostes de defensa, que inclouen la producció d’espècies reactives de l’oxigen, deposicions de calosa, i l’expressió de gens de defensa. Totes s’associen a una acumulació superior d’àcid salicílic conjugat en fulles, sense comprometre el desenvolupament de les plantes. Atès que se sap que la sobreexpressió d´OsCPK4 confereix més tolerància a la salinitat i a la sequera, aquests resultats demostren que la OsCPK4 actua com a punt de convergència modulant positivament ambdues vies de senyalització d’estrès biòtic i abiòtic en plantes d’arròs. La caracterització funcional del gen OsCPK10 es presenta en el tercer capítol. Aquests estudis demostren que OsCPK10 també és un modulador positiu de la resposta de defensa contra M. oryzae i de la resposta a estrès per sequera en plantes d’arròs. L’acumulació constitutiva de la proteïna OsCPK10 confereix a les plantes d’arròs una millor tolerància a l’estrès oxidatiu causada per un increment de la capacitat antioxidant. Aquest augment de la capacitat d’eliminar el peròxid d’hidrogen tòxic produït durant la dessecació és degut en part a una acumulació més gran de Catalasa A, cosa que comporta la reducció de peroxidació lipídica i la preservació de la integritat de la membrana cel·lular, donant com a resultat la tolerància a estrès per sequera. En conjunt, els resultats d’aquesta tesi identifiquen les proteïnes OsCPK4 i OsCPK10 com a components de convergència que modulen positivament ambdues vies de senyalització a estrès biòtic i abiòtic, suggerint que són bones dianes moleculars per a la millora de la tolerància a diferents estressos en les plantes d’arròs

Las proteínas quinasa dependientes de calcio (CDPKs o CPKs) son componentes de señalización presentes en muchos aspectos de la biología de las plantas, desde los procesos de desarrollo hasta las respuestas a estrés. Esta tesis aborda la identificación y la caracterización funcional de las isoformas OsCPK que median la respuesta de defensa del arroz frente a patógenos, así como su contribución en otras vías de señalización. Estos estudios son necesarios para entender las interacciones entre distintas vías de señalización de estrés y desarrollo. Un mejor conocimiento de estos interacciones entre vías de señalización, y la identificación de los componentes que los regulan, son importantes para el diseño de estrategias de mejora de la tolerancia a estrés en plantas. Todos estos estudios se aplican a las plantas de arroz, un importante cultivo tanto económico como social a nivel mundial. El trabajo de esta tesis se divide en tres capítulos. El primer capítulo se centra en la identificación de genes OsCPK implicados en la respuesta de defensa frente al hongo del quemado del arroz, Magnaporthe oryzae, mediante un análisis de expresión global. Estos estudios se complementan con análisis específicos de los perfiles de expresión en los que se identifican a OsCPK4 y OsCPK10 como genes inducidos en respuesta a la infección por M. oryzae, aunque los genes OsCPK13 y OsCPK5 también responden a elicitores fúngicos. El segundo capítulo aborda la caracterización funcional del gen OsCPK4 en la respuesta de defensa del arroz frente a M. oryzae. La sobreexpresión de OsCPK4 confiere una mayor resistencia a la infección por M. oryzae en las plantas de arroz, potenciando sus respuestas de defensa, que incluyen la producción de especies reactivas del oxígeno, deposiciones de callosa, y la expresión de genes de defensa, todo ello asociado a una mayor acumulación de ácido salicílico conjugado en hojas, sin comprometer el desarrollo de las plantas. Dado que se sabe que la sobrexpresión de OsCPK4 confiere además tolerancia a salinidad y la sequía, estos resultados demuestran que la OsCPK4 actúa como punto de convergencia modulando positivamente ambas vías de señalización de estrés biótico y abiótico en plantas de arroz. La caracterización funcional del gen OsCPK10 se presenta en el tercer capítulo. Estos estudios demuestran que OsCPK10 también es un modulador positivo de la respuesta de defensa frente a la infección por M. oryzae y de la respuesta a estrés por sequía en plantas de arroz. La acumulación constitutiva de la proteína OsCPK10 confiere a las plantas de arroz una mejor tolerancia al estrés oxidativo debido a una mayor capacidad antioxidante. Esta mayor capacidad de eliminar el peróxido de hidrógeno tóxico producido durante la desecación es debida en parte a una mayor acumulación de Catalasa A, lo que conlleva la reducción de peroxidación lipídica y la preservación de la integridad de la membrana celular, dando como resultado la tolerancia a estrés por sequía. En conjunto, los resultados de esta tesis identifican las proteínas OsCPK4 y OsCPK10 como componentes de convergencia que modulan positivamente ambas vías de señalización a estrés biótico y abiótico, sugiriendo que son buenas dianas moleculares para la mejora de la tolerancia a distintos estreses en las plantas de arroz

Calcium-dependent protein kinases (CDPKs or CPKs) are signaling components in many aspects of plant biology, from developmental processes to stress responses. This thesis addresses the identification and functional characterization of the OsCPK isoforms mediating the rice defense response to pathogens, as well as their contribution to other signaling pathways. These studies are important to understand the interactions between different stress signaling pathways and the development process in rice plants. A better understanding of these crosstalks among signaling pathways, as well as the identification of the signaling components mediating them, are relevant to develop strategies to improve plant stress tolerance. All these studies apply to rice plants, an economical and social important crop worldwide. The work of this thesis is divided in three chapters. The first chapter focuses on the identification of OsCPK genes involved in the defense response to the rice blast fungal pathogen Magnaporthe oryzae by global expression analysis. These studies complemented with specific expression profile analyses which identified OsCPK4 and OsCPK10 as upregulated genes in response to M. oryzae fungal infection, although the OsCPK5 and OsCPK13 genes were also responding to fungal elicitors. The second chapter addresses the functional characterization of the OsCPK4 gene in the rice defense response to the M. oryzae pathogen. The overexpression of the OsCPK4 gene conferred enhanced resistance to M. oryzae infection in rice plants by potentiating their defense responses, including the production of reactive oxygen species, callose deposition, and defense gene expression, associated to an increased accumulation of conjugated salicylic acid in leaves without compromising rice yield. Given that OsCPK4 overexpression was known to confer also salt and drought tolerance in rice, these results demonstrate that OsCPK4 acts as a convergence component that positively modulates both biotic and abiotic signaling pathways in rice. The functional characterization of the OsCPK10 gene is presented in the third chapter. These studies demonstrate that OsCPK10 is also a positive modulator of both the defense response to M. oryzae infection and the drought stress response in rice plants. The constitutive accumulation of OsCPK10 conferred the rice plants with an improved tolerance to oxidative stress by increasing their antioxidant capacity. This improved capacity to scavenge the produced toxic hydrogen peroxide upon desiccation is due in part to an increased accumulation of the Catalase A, which leads to a reduction in lipid peroxidation and preservation of the cellular membrane integrity, and as a result drought stress tolerance. All together, the results of this thesis identify the OsCPK4 and the OsCPK10 proteins as convergence components that positively modulate both biotic and abiotic signaling pathways, suggesting they are good molecular targets to improve tolerance to different stresses in rice plants.