Global evaluation of the fitness and virulence determinants in the phytopathogen Ralstonia solanacearum

Abstract

[eng] Losses to plant pathogens pose a major threat to global agriculture and food security worldwide. In the context of globalisation and climate change, the emergence and dispersion of pathogens resistant to conventional management strategies causes destructive outbreaks. One of the most important bacterial phytopathogen is R. solanacearum, the causal agent of the bacterial wilt disease, infecting over 200 plant species. R. solanacearum colonises the vascular system of the plants and blocks the water flow by secreting exopolysaccharides, which causes the wilting symptoms. Moreover, it can persist and easily disperse through contaminated soil and waterways. Many different virulence factors have been studied to date but a comprehensive understanding of the transcriptional regulation during the life cycle of this pathogen is lacking. The huge genetic and phenotypic variability of this traditionally tropical pathogen has led to its spread and establishment in temperate regions. To prevent its dispersal and design efficient management strategies, inexistent to date, a thorough understanding of the pathogen infection and dispersion process is of paramount importance. In this thesis we set to characterise the transcriptomic landscape of R. solanacearum to unravel novel virulence and fitness determinants deployed by the pathogen throughout its life cycle. In the first two chapters, we studied the gene expression profile of the bacterium during in different stages of plant infection (Chapter 1 or C1) and the environmental soil and water stages (Chapter 2 or C2). Overall, we have identified a dynamic expression profile of different metabolism and virulence genes along the life cycle of the pathogen. Consistent with previous analysis, we identified that the Type III secretion system (T3SS) is also transcriptionally active at late stages of infection but also in water. Interestingly, we identified the alkali pH as a cue triggering T3SS expression in water, which links to the pH alkalinisation along infection inside the plant. Moreover, we validated the expression of different virulence factors in planta such as the flagellar or T4P motility along infection. In soil, we identified the expression of multiple metabolic pathways and stress-related genes that are required for the life of the bacterium in the soil. Among them, we described the induction of genes related to lignin degradation, and alternative metabolic pathways to synthetise carbon molecules related to stress tolerance. The last two chapters have the objective to characterise and describe specific genes potentially involved in virulence and/or fitness of R. solanacearum. In Chapter 3 (C3), we studied the role of the catalase KatE in detail. We proved its importance for the detoxification of the hydrogen peroxide but discovered that, possibly to redundancy, its mutation has no biological effect on the virulence or the life of the bacterium inside the plant. Finally, in Chapter 4 (C4), we took a different approach studying the secretome of R. solanacearum inside the apoplast and xylem sap of the plant. Many potential proteins related to virulence were discovered but we focused on the description of the S8 serine protease protein family. Preliminary results suggest that highly accumulated S8 proteases might be involved in the life of the bacterium inside the plant. To sum up, this thesis provides with a solid background to further study and characterise virulence and fitness factors important for the life cycle of the bacterium. Additionally, we started the description and characterisation of different potential virulence factors important for the bacterium. All this information might be of use in the future to have a comprehensive knowledge of the pathogen and to design novel and efficient management and control strategies.

[cat] Les pèrdues causades per patògens de plantes són una gran amenaça per a l'agricultura i la seguretat alimentària en tot el món. En el context de la globalització i el canvi climàtic, l'aparició i la dispersió de patògens resistents a les estratègies de control convencionals provoquen brots destructius. Un dels fitopatògens bacterians més importants és R. solanacearum, l'agent causal de la malaltia del marciment bacterià, que afecta a més de 200 espècies de plantes. R. solanacearum colonitza el sistema vascular de les plantes i bloqueja el flux d'aigua secretant exopolisacàrids, el que provoca el marciment. A més, pot persistir i dispersar-se fàcilment a través del sòl i les vies d'aigua contaminades. S'han estudiat molts factors de virulència diferents, però manca una comprensió exhaustiva de la regulació transcripcional durant el cicle de vida d'aquest patogen. La gran variabilitat genètica i fenotípica d'aquest patogen tradicionalment tropical ha portat a la seva propagació i establiment en regions temperades. Per prevenir la seva dispersió i dissenyar estratègies de gestió eficients, inexistents fins ara, és de vital importància comprendre a fons el procés d'infecció i dispersió del patogen. En aquesta tesi ens vam proposar caracteritzar el paisatge transcriptòmic de R. solanacearum per desxifrar nous determinants de virulència i d’eficàcia biològica desplegats pel patogen durant tot el seu cicle de vida. En els dos primers capítols, vam estudiar el perfil d'expressió gènica del bacteri durant diferents etapes d'infecció de les plantes (Capítol 1 o C1) i de les etapes ambientals del sòl i l'aigua (Capítol 2 o C2). En general, hem identificat un perfil d'expressió dinàmic de diferents gens de metabolisme i virulència al llarg del cicle de vida del patogen. Consistent amb anàlisis anteriors, vam identificar que el sistema de secreció de tipus III (T3SS) també està transcripcionalment actiu en les etapes tardanes de la infecció i, inesperadament, també a l'aigua. Curiosament, vam identificar el pH alcalí com un senyal que activa l'expressió del T3SS a l'aigua, que pot estar relacionada amb l'alcalinització del pH durant la infecció dins de la planta. A més, vam validar l'expressió de diferents factors de virulència en planta, com la motilitat flagel·lar o T4P durant la infecció. Al sòl, vam identificar l'expressió de múltiples vies metabòliques i gens relacionats amb l'estrès que són necessaris per a la vida de la bacteri al sòl. Entre ells, vam descriure la inducció de gens relacionats amb la degradació de la lignina i vies metabòliques alternatives per sintetitzar molècules de carboni relacionades amb la tolerància a l'estrès. Els dos últims capítols tenen com a objectiu caracteritzar i descriure gens específics potencialment implicats en la virulència i/o la supervivència de R. solanacearum. Al Capítol 3 (C3), vam estudiar detalladament el paper de la catalasa KatE. Vam demostrar la seva importància per a la detoxificació del peròxid d’hidrogen, però vam descobrir que, possiblement degut a la redundància, la seva mutació no té cap efecte biològic en la virulència o en la vida de la bacteri a l'interior de la planta. Finalment, al Capítol 4 (C4), vam adoptar una aproximació diferent estudiant el secretoma de R. solanacearum dins l'apoplast i el xilema de la planta. Es van identificar moltes proteïnes potencials relacionades amb la virulència, però ens vam centrar en la descripció de la família de proteïnes de proteases serina S8. Els resultats preliminars suggereixen que les proteases S8, altament acumulades durant la infecció, podrien estar involucrades en la vida de la bacteri dins de la planta. En resum, aquesta tesi proporciona un fonament sòlid per estudiar i caracteritzar factors de virulència i supervivència importants per al cicle de vida del bacteri. A més, hem iniciat la descripció i caracterització de diferents factors de virulència potencials importants per a la bacteri. Tota aquesta informació podria ser útil en el futur per tenir un coneixement exhaustiu del patogen i dissenyar noves estratègies eficients de gestió i control de la malaltia.