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Doctoral thesis

Molecular genetic analysis of beta-aminobutyric acid-induced stress resistance in Arabidopsis

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    09.11.2000

51 p

Thèse de doctorat: Université de Fribourg, 2000

English French Plants have developed numerous, complex defense mechanisms to escape infection by pathogens. In many cases, resistance is expressed locally and systemically in response to either necrotizing pathogens or root-colonizing soil bacteria. Systemic acquired resistance (SAR) is characterized by a systemic accumulation of salicylic acid (SA) and the concomitant activation of pathogenesis-related (PR) genes. Besides SA, the plant hormones jasmonic acid (JA) and ethylene have been shown to be involved in a separate signal transduction pathway mediating resistance against distinct pathogens. Non-protein amino acids such as γ-aminobutyric acid (GABA) and β-aminobutyric acid (BABA) have known biological effects in animals and plants. In plants, stress provokes an accumulation of GABA and treatment with BABA protects numerous plant species against various pathogens. However, the BABA-mediated protective mechanisms in plants are still poorly understood. To clarify this point, we analyzed the mode of action of BABA in the plant model system Arabidopsis thaliana. We first tested BABA against the virulent pathogen Peronospora parasitica and demonstrated that this chemical protected Arabidopsis through activation of natural defense mechanisms of the plant such as callose deposition, the hypersensitive response (HR), and the formation of trailing necroses. BABA was still fully protective against P. parasitica in transgenic plants or mutants impaired in the SA, JA, and ethylene signaling pathways. Treatment with BABA did not induce the accumulation of mRNA of the systemic SAR associated PR-1 and the ethylene- and jasmonic acid-dependent PDF1.2 genes. However, BABA potentiated the accumulation of PR-1 mRNA after attack by virulent pathogenic bacteria. As a result, BABA-treated Arabidopsis plants were less diseased compared to the untreated control. In the case of bacteria, BABA protected mutants insensitive to JA and ethylene, but was not active in plants impaired in the SAR transduction pathway. Thus, BABA protects Arabidopsis against different virulent pathogens by potentiating pathogen specific plant resistance mechanisms. In addition, tins work provides evidence that BABA mediated papilla formation after P. parasitica infection is independent of the SAR signaling pathway. Other pathogens, such as necrotrophs can induce plant defense responses through JA and ethylene-dependent signal transduction pathway. To extend the analysis of the mode of action of BABA to necrotrophs, we evaluated the effect of this chemical on Arabidopsis plants infected with the gray mold fungus Botrytis cinerea. BABA-treated Arabidopsis were found to be less sensitive to two different strains of this pathogen. BABA protected mutants defective in the JA and ethylene pathways, but was inactive in plants impaired in the systemic acquired resistance transduction pathway. Treatments with benzo-(1,2,3)-thiadiazole-7-carbothioic acid S-methyl ester, a functional analogue of SA, also markedly reduced the level of infection. Moreover, BABA potentiated mRNA accumulation of the SA associated PR-1, but not the JA/ethylene-dependent PDF1. 2 defense gene. Thus, besides JA/ethylene-dependent defense responses, SA-dependent signaling also contributes to restrict B. cinerea infection in Arabidopsis. Our results also suggest that SA-dependent signaling is downregulated after infection by B. cinerea. Furthermore, the observed upregulation of the PDF1.2 gene in mutants defective in the SA-dependent signaling pathway points to a cross taik between SA- and JA/ethylene-dependent signaling pathways during pathogen ingress. Plant resistance against pathogens can also be induced by plant-growth-promoting rhizobacteria. Interestingly, this type of induced resistance provokes changes in plant gene expression linked with both biotic and abiotic stresses. We therefore tested the effect of BABA on the resistance to cold stress. BABA treatment increased the tolerance of Arabidopsis plants to freezing: the majority of the BABA-treated Arabidopsis survived, whereas ail the water controls died. In Arabidopsis, cold regulated (COR) genes have been shown to be coordinately stimulated during low temperature treatment with a concomitant enhanced freezing tolerance. The possible increased resistance through potentiation of COR genes expression after BABA treatment was monitored. In this case, conditioning effect was not observed. However, BABA treatment leads to potentiation of the expression of the heat shock protein 83 gene during heat stress. Hence, BABA also modulates plant responses to abiotic stresses such as cold or heat shock, revealing possible connection between biotic and abiotic stress responses. In this thesis, analyses of the mode of action of BABA in Arabidopsis have contributed to reach a starting point for further elucidation of the modulation of multiple stress responses by plants. In the future, the discovery of the site of action of this chemical would give us tremendous knowledge’s of the basic mechanisms involved during induced resistance or eventually, in general stress perception. This might provide new tools to enhance crop protection through enhancement of the natural defense potential of plants. Au cours de l’évolution, les plantes ont développé des mécanismes de défense très variés afin de survivre aux attaques menées par les agents pathogènes. Généralement, un premier contact avec des agents pathogènes qui provoquent une nécrose suffit à induire une réaction de résistance dans les zones non infectées de la plante. La résistance systémique acquise (RSA) se caractérise par une accumulation d’acide salicylique (SA) accompagnée par une expression de gènes liés à la pathogénicité. D’autre part, les hormones végétales tel que l’acide jasmonique (JA) et l’éthylène sont impliqués dans une voie de transduction divergente qui protège contre des agents infectieux différents. Les acides aminés non protéiques tel que les acides γ- et β-aminobutyriques (ABAB) ont certains effets sur les animaux et les plantes. Ainsi, les plantes stressées induisent une accumulation d’acide γ-aminobutyrique et des traitements avec ABAB apportent une protection contre différents pathogènes, et ce, chez de nombreuses espèces distinctes, Comme la compréhension des mécanismes d’action d’ABAB n’est pas résolue; nous avons, lors de ce travail, recherché à comprendre le mode d’action de ce produit chimique à l’aide de la plante modèle Arabidopsis thaliana. En premier lieu, nous avons testé ABAB contre le champignon virulent Peronospora parasitica. En fait, ABAB protège Arabidopsis par une activation des mécanismes naturels de défense tel que l’accumulation de callose, la réponse hypersensible et la formation de nécroses le long des hyphes. ABAB est aussi efficace contre P. parasitica dans des plantes transgéniques ou des mutants déficient dans les voies de signalisation dépendantes de l’SA, du JA et de l’éthylène. Des traitements avec ABAB n’induisent pas l’accumulation d’ARNm des gènes PR-1 ou PDF1.2, respectivement associé à la RSA ou dépendant de l’JA et de l’éthylène. Par contre, ABAB conditionne l’accumulation d’ARNm du gène PR-1 après attaque par des bactéries virulentes. Dans ce cas, les plantes traitées avec ABAB présentent moins de symptômes que les contrôles non traités. En outre, ABAB protège les mutants insensibles à l’JA et à l’éthylène, mais n’est pas efficace dans des plantes qui présentent une RSA déficiente. ABAB protège donc Arabidopsis par une potentialisation des mécanismes de résistance spécifiques aux différents agents pathogènes rencontrés. De plus, nous apportons certains éléments qui démontrent une indépendance par rapport à la RSA du mécanisme de formation des papilles. D’autres agents pathogènes peuvent induire des mécanismes de défense dépendant de l’JA et de l’éthylène. Afin d’étendre l’étude du mode d’action d’ABAB à ce type d’agent infectieux, nous avons évalué l’effet de ce produit chimique sur des plantes d’Arabidopsis infectées par l’agent de la pourriture grise Botrytis cinerea. Les plantes traitées avec ABAB ont montré une moindre sensibilité à deux différentes souches de cet agent pathogène. En outre, ABAB protège les mutants insensibles à l’JA et à l’éthylène, mais est inactif dans des plantes avec une RSA déficiente. Des traitements avec le benzo-(l,2,3)-thiadiazole-7-carbothioic acid S-methyl ester, un analogue fonctionnel de l’SA réduit de manière similaire l’infection. De plus, ABAB potentialise l’accumulation d’ARNm du gène PR-1. L’expression des gènes dépendants de la voie de transduction de l’JA et de l’éthylène n’est par contre pas potentialisée. Ainsi chez Arabidopsis, en plus d’une dépendance à l’JA et à l’éthylène, la protection contre B. cinerea est dépendante de 1’SA. Nos résultats suggèrent que cette voie de signalisation est réprimée lors de l’infection par B. cinerea. Finalement, la surexpression du gène PDF1.2 observée lors de l’infection par B. cinerea de plantes avec une RSA déficiente révèle l’existence d’une connexion entre voies de transduction distinctes. Certaines rhizobacteries sont capables de provoquer l’induction d’une résistance contre des agents infectieux qui attaquent la plante au niveau des feuilles. Ce type de résistance induite produit des changements dans l’expression de gènes qui sont impliqués lors de stress biotiques et abiotiques. Nous avons donc testé l’action de ABAB sur la résistance au froid. Le traitement avec ABAB augmente la résistance d’Arabidopsis à la congélation. En effet, après un traitement au froid de 2 jours, la majorité des Arabidopsis traitées avec ABAB ont survécu, alors que tous les contrôles non traités sont morts. Chez Arabidopsis, la stimulation de certains gènes lors de basses températures a pu être corrélée avec une résistance accrue à la congélation. La potentiation de l’expression de ces gènes par un traitement au ABAB n’a toutefois pas été observée. Néanmoins, un traitement avec ABAB conditionne l’expression du gène “heat shock protein 83” lors d’un choc au chaud. Ainsi, ABAB module également les réponses des plantes à des stress tels que le froid ou le chaud, révélant une probable connexion entre réponses aux stress biotique et abiotique. Lors de cette thèse, l’analyse du mode d’action d’ABAB chez Arabidopsis a permis d’atteindre un point de départ pour aborder la compréhension de la modulation de la réponse des plantes aux stress multiples. Dans le futur, la découverte du site d’action de ce produit chimique devrait permettre l’acquisition de nouvelles connaissances concernant la résistance induite ou plus largement la perception de stress par les plantes. Cela devrait apporter de nouveaux outils à l’amélioration de la résistance des cultures par une augmentation du potentiel de défense naturel des plantes.
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Faculté des sciences
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Département de Biologie
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Biology
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