Understanding the role of iron homeostasis in rice immunity and novel applications of miRNAs for crop protection

Abstract

Les plantes s’enfronten constantment a una àmplia gamma d’estressos ambientals que provoquen importants pèrdues en els cultius. Aquests estressos es classifiquen, segons la seva naturalesa, en estressos biòtics o abiòtics. L’estrès biòtic és causat per organismes vius com fongs, oomicets, bacteris, virus, nematodes, insectes; o bé per altres plantes. Els estressos abiòtics inclouen fenòmens diversos com salinitat, sequera, temperatures extremes, inundacions, radiació; així com estrès nutricional o toxicitat per metalls pesants, entre d’altres. A causa del seu estil de vida sèssil, les plantes no poden escapar d’aquests estressos i han desenvolupat un conjunt de mecanismes per superar-los. Per fer front a l’estrès ambiental, les plantes poden percebre els estímuls i activar vies de transducció de senyals que condueixen a la reprogramació transcripcional de l’expressió gènica. Les evidències confirmen que les plantes responen a estressos múltiples de manera diferent a com ho fan a estressos individuals, activant un programa específic d’expressió gènica segons el tipus d’estrès trobat. Per exemple, la presència d’un estrès abiòtic pot reduir o augmentar la susceptibilitat a un patogen, o viceversa. No obstant això, la majoria dels estudis sobre les respostes de les plantes a l’estrès biòtic i abiòtic s’han realitzat en plantes sotmeses a un estrès individual, però en la naturalesa és més probable que hagin d’enfrontar-se a estressos múltiples. En les plantes, els microARN (miARN) són reguladors clau de l’expressió gènica en diversos processos de desenvolupament i adaptació a l’estrès ambiental. S’ha demostrat que diferents miARNs participen en la resposta de la planta a la infecció per patògens o l’homeòstasi de nutrients. Encara que des de fa molt temps en l’agronomia s’ha reconegut una connexió entre el ferro i la immunitat de les plantes, no es comprèn bé el paper exacte de l’homeòstasi del ferro durant la resposta de defensa de les plantes a la infecció per patògens. En aquesta tesi doctoral, he investigat la regulació de processos associats a l’homeòstasi del ferro (Fe) regulada per miARN i la immunitat innata en plantes d’arròs durant la infecció amb el fong de la piriculariosi de l’arròs Magnaporthe oryzae. D’altra banda, se sap que els petits ARN es poden moure entre organismes que interactuen per a la regulació de l’expressió gènica entre regnes mitjançant la interferència d’ARN (ARNi). L’evidència recent també dona suport a la comunicació bidireccional entre regnes de petits ARN entre plantes hospedants i patògens fúngics adaptats que determinen el resultat de la infecció. La majoria d’aquests estudis es centren en el moviment d’ARNs bicatenaris llargs (dsRNAs) o petits ARN interferents (siARNs). A més, l’aplicació de dsARNs o siARNs ha demostrat ser eficaç per al control de malalties fúngiques. En l’actualitat, es disposa de poca informació sobre el moviment de miARNs entre organismes. Com a primer pas per avaluar si els miARNs poden ser eines útils per a la protecció de cultius, en aquesta tesi he explorat la viabilitat d’utilizar miARNs fets a mida per reprimir l’expressió de gens fúngics durant la infecció de plantes d’arròs amb M. oryzae.

Las plantas se enfrentan constantemente a una amplia gama de estreses ambientales que provocan importantes pérdidas en los cultivos. Estos estreses se clasifican, según su naturaleza, en estreses bióticos o abióticos. El estrés biótico es causado por organismos vivos como hongos, oomicetos, bacterias, virus, nematodos, insectos; o bien por otras plantas. Los estreses abióticos incluyen fenómenos diversos como salinidad, sequía, temperaturas extremas, inundaciones, radiación; así como estrés nutricional o toxicidad por metales pesados, entre otros. Debido a su estilo de vida sésil, las plantas no pueden escapar de estos estreses y han desarrollado un conjunto de mecanismos para superarlos. Para hacer frente al estrés ambiental, las plantas pueden percibir los estímulos y activar vías de transducción de señales que conducen a la reprogramación transcripcional de la expresión génica. Las evidencias respaldan que las plantas responden a estreses múltiples de manera diferente a como lo hacen a estreses individuales, activando un programa específico de expresión génica según el tipo de estrés encontrado. Por ejemplo, la presencia de un estrés abiótico puede reducir o aumentar la susceptibilidad a un patógeno, o viceversa. Sin embargo, la mayoría de los estudios sobre las respuestas de las plantas al estrés biótico y abiótico se han realizado en plantas sometidas a un estrés individual, pero en la naturaleza es más probable que deban enfrentarse a estreses múltiples. En las plantas, los microARNs (miARNs) son reguladores clave de la expresión génica en diversos procesos de desarrollo y adaptación al estrés ambiental. Se ha demostrado que distintos miARNs participan en la respuesta de la planta a la infección por patógenos o la homeostasis de nutrientes. Aunque desde hace mucho tiempo en la agronomía se ha reconocido una conexión entre el hierro y la inmunidad de las plantas, no se comprende bien el papel exacto de la homeostasis del hierro durante la respuesta de defensa de las plantas a la infección por patógenos. En esta tesis doctoral, he investigado la regulación mediada por miARNs en procesos asociados a la homeostasis del hierro (Fe) y la inmunidad innata en plantas de arroz durante la infección con el hongo del añublo del arroz Magnaporthe oryzae. Por otro lado, es bien sabido que los pequeños ARN pueden moverse entre organismos que interactúan para la regulación de la expresión génica entre reinos a través de la interferencia de ARN (ARNi). La evidencia reciente también respalda la comunicación bidireccional entre reinos de pequeños ARNs entre plantas hospedantes y patógenos fúngicos adaptados que determinan el resultado de la infección. La mayoría de estos estudios se centran en el movimiento de ARN bicatenarios largos (dsARNs) o pequeños ARN interferentes (siARNs). Además, la aplicación de dsARNs o siARNs ha demostrado ser eficaz para el control de enfermedades fúngicas. En la actualidad, se dispone de poca información sobre el movimiento de miARNs entre organismos. Como primer paso para evaluar si los miARNs pueden ser herramientas útiles para la protección de cultivos, en esta tesis he explorado la viabilidad de usar miARNs hechos a medida para reprimir la expresión de genes fúngicos durante la infección de plantas de arroz con M. oryzae.

Plants are constantly challenged with a wide range of environmental stresses that cause major losses in crops. These stresses are categorized into biotic or abiotic stresses depending on their nature. Biotic stresses are caused by living organisms like fungi, oomycetes, bacteria, viruses, nematodes, insects and weeds. Abiotic stresses include salinity, drought, extreme temperatures, flooding, radiation, as well as nutrient stress or heavy metals toxicity, among others. Due to their sessile lifestyle, plants cannot escape from stresses and have evolved a set of mechanisms to overcome them. To cope with environmental stress, plants are able to sense the stimuli for the activation of signal transduction pathways leading to transcriptional reprogramming of gene expression. Evidence supports that plants respond to multiple stresses differently from how they do to individual stresses, by activating a specific programme of gene expression depending on the type of stress encountered. For instance, the presence of an abiotic stress can have the effect of reducing or enhancing susceptibility to a pathogen, or vice versa. However, most studies on plant responses to biotic and abiotic stresses have been approached on plants subjected to an individual stress, but in nature they are more likely to occur simultaneously. In plants, microRNAs (miRNAs) are key regulators of gene expression in diverse developmental processes and adaptation to environmental stress. Distinct miRNAs have been shown to be involved in the plant response to pathogen infection or nutrient homeostasis. Although a connection between iron and plant immunity has long been recognized in agronomy, the exact role of iron homeostasis during the plant defense response to pathogen infection is not well understood. In this Ph. D. Thesis, I investigated miRNA-mediated regulation in processes associated to iron (Fe) homeostasis and innate immunity in rice plants during infection with the rice blast fungus Magnaporthe oryzae. On the other hand, it is well recognized that small RNAs are able to move between interacting organisms for cross-kingdom regulation of gene expression through RNA interference (RNAi). Recent evidence also supports bidirectional cross‐kingdom communication of small RNAs between host plants and adapted fungal pathogens that determine the outcome of infection. Most of these studies focused on the movement of long double stranded RNAs (dsRNAs) or small interfering RNAs (siRNAs). Moreover, the application of dsRNAs or siRNAs has proven to be effective for the control of fungal diseases. At present, little information is available about movement of miRNAs between organisms. As a first step to evaluate whether miRNAs can be useful tools for crop protection, in this PhD, I explored the feasibility of using tailor-made miRNAs to repress the expression of fungal genes during infection of rice plants with M. oryzae.