Evasión de defensas en la interacción planta-bacteria

Foto de grupo. De izquierda a derecha, Laura Mancera, Ángel del Espino, Carmen R. Beuzón, José S. Rufián, Javier Ruiz-Albert, Fernando Baisón-Olmo, Nieves López-Pagán, Juan Manuel Ocaña, Hans Ríos

RESUMEN

La investigación en nuestro laboratorio se caracteriza por un enfoque experimental abierto e interdisciplinar, centrado en la interacción molecular planta-patógeno, que evoluciona conforme a las necesidades de los proyectos desarrollados, lo que nos permite abordar preguntas novedosas que abren el campo de la investigación.

Trabajamos principalmente con la bacteria Pseudomonas syringae en su interacción con plantas modelo como Arabidopsis o Nicotiana benthamiana, y plantas de interés agronómico como judía y tomate. También investigamos la interacción establecida entre la bacteria patógena Salmonella y las plantas.

El laboratorio cuenta con numerosas colaboraciones nacionales e internacionales, un ritmo dinámico de publicación de resultados, y es un entorno excelente para investigadores post-doctorales e investigadores en formación (doctorandos y estudiantes de Grado o Master).

El grupo forma parte del núcleo fundador del Instituto de Hortofruticultura Subtropical y Mediterránea (IHSM‑UMA‑CSIC), incluido en el área de Protección de Cultivos.

Hemos obtenido financiación ininterrumpida desde 2003, incluyendo 7 proyectos consecutivos del Plan Nacional, tres proyectos de excelencia y dos FEDER de la Junta de Andalucía, y un contrato con la Fundación Genoma España.

INVESTIGACIÓN

Nuestra investigación se centra en los eventos moleculares y celulares implicados en la interacción bacteriana con la planta, particularmente en el contexto de la evasión bacteriana de la defensa inmune. Analizamos ambos lados de la interacción: cómo el hospedador de la planta despliega defensas frente la invasión de bacterias patógenas, y cómo el patógeno evade dichas defensas para sobrevivir y colonizar la planta.

La co-evolución patógeno-huésped ha dado lugar a estrategias de invasión y colonización bacterianas, con sistemas como el Type III Secretion System (T3SS) dedicados a la introducción de proteínas de virulencia (T3Es) para evadir y suprimir los correspondientes mecanismos de defensa de la planta, en colaboración con sistemas como el flagelo que aseguran una eficiente colonización y dispersión bacteriana. Nuestro trabajo ha incluido la caracterización funcional de efectores y su relación con las defensas de la planta, así como la regulación de la expresión coordinada del T3SS, del flagelo, y del LPS. Por otro lado, trabajamos en la caracterización de la regulación de la defensa activada por las plantas en respuesta a las infecciones bacterianas, centrándonos en mecanismos de silenciamiento génico que modulan la cinética de dicha respuesta, y en la identificación y caracterización de proteínas de la planta que participan en la transducción de señal de defensa, y que son dianas de la interferencia por parte de efectores. En paralelo, desarrollamos numerosas herramientas moleculares que facilitan la investigación y que ponemos a disposición de la comunidad científica.

Nuestra investigación actual puede clasificarse de manera general en cuatro líneas principales:

(1) Regulación genética y epigenética de la expresión génica bacteriana, con énfasis en los genes asociados a virulencia, que conlleva la generación de heterogeneidad fenotípica que conduce al establecimiento de subpoblaciones bacterianas durante la infección de la planta huésped. El objetivo de esta línea es comprender la relevancia biológica de la regulación y la dinámica poblacional en la adaptación bacteriana al huésped vegetal. Hemos sido los primeros en describir en bacterias fitopatógenas la heterogeneidad fenotípica en la expresión del T3SS y del flagelo, una regulación con componentes estocásticos y deterministas que da lugar a linajes bacterianos estructurados espacialmente in planta, cooperando entre sí para una eficiente colonización del hospedador y diseminación del patógeno (1, 11). En el proceso hemos descrito la dinámica, clonalidad e interacciones entre subpoblaciones bacterianas in planta (10). También analizamos otros loci con potencial de generar heterogeneidad fenotípica, como los asociados a síntesis de LPS, y caracterizamos el metiloma de P. syringae in vitro e in planta, así como las correspondientes metilasas de DNA. Durante esta investigación hemos desarrollado diversas herramientas moleculares y protocolos optimizados (2, 5). Este trabajo ha permitido colaboraciones con investigadores de las universidades de Sevilla (España), Laussane (Suiza), Aix-Marseille (Francia), Imperial College y West of England (UK).

(2) Interferencia bacteriana con la célula vegetal a través de proteínas efectoras (T3Es) asociadas a virulencia y secretadas por el T3SS, con énfasis en la supresión de la inmunidad en planta (PTI, ETI y SAR) y en la interacción entre redes de efectores y componentes de defensa de la planta (3, 6, 9). En un principio determinamos la contribución a la virulencia del repertorio de T3Es de la estirpe modelo P. syringae 1448A, e implementamos técnicas de generación de mutantes y de análisis genético in planta. Posteriormente, hemos sido los primeros en describir la supresión de todos los niveles de defensa de la planta (PTI, ETI, y SAR) por parte de un único T3E, HopZ1, analizado las rutas de transducción de señal implicadas (6), y caracterizado en su contexto natural la supresión de defensas por parte de otro T3E relacionado, HopZ3 (9). Actualmente continuamos con la caracterización de otros efectores que suprimen inmunidad en planta. Este trabajo ha permitido colaboraciones con investigadores de la Universidad de Warwick (UK), Imperial College (UK), IMBB-FORTH (Grecia), Universidad de California (USA), y Shanghai Center for Plant Stress Biology (China).

(3) Regulación de la inmunidad en plantas mediante redes de miRNA/phasiRNA codificadas por la propia planta, centrándonos en la dinámica de expresión de genes de resistencia que codifican proteínas TIR-NBS-LRR (4). Hemos caracterizado un mecanismo de regulación que controla la expresión de TIR-NBS-LRR en ausencia de patógenos, limitando su impacto en el fitness de la planta, y permitiendo su activación en dos oleadas en presencia de patógenos (7). Este mecanismo de defensa inducible, no ligado a un único gen de avirulencia, tiene gran potencial para desarrollar estrategias de resistencia eficaces y robustas. Actualmente estamos caracterizando la dinámica de esta red de regulación durante el desarrollo de la planta y colaborando para caracterizar su implicación en defensa frente a herbívoros. Este trabajo ha permitido colaboraciones con investigadores del IHSM, del CRAG y de la UCM (España) y el CBGP, y de la Universidad de Copenhagen (Dinamarca).

(4) Caracterización de la interacción del patógeno humano Salmonella enterica con plantas. Esta línea explora cuestiones social y económicamente relevantes, ya que la colonización por Salmonella se asocia a más del 25% de los brotes epidémicos de salmonelosis (ECDC) por contaminación de fruta y verdura fresca destinada al consumo. Analizamos el papel de la heterogeneidad fenotípica en el proceso de colonización en planta, y la dinámica de establecimiento de biofilms asociados a la superficie de la hoja, analizando los componentes moleculares implicados en ambos procesos y en su regulación. También perseguimos la identificación de bacteriófagos y su aplicación al biocontrol en el entorno agronómico. Esta línea aprovecha la experiencia previa en Salmonella de los investigadores principales, combinada con la desarrollada en patogénesis en plantas durante la evolución del grupo.

FORMACIÓN

Los investigadores principales imparten docencia en el área de Genética de la Facultad de Ciencias de la Universidad de Málaga (UMA), lo que nos mantiene en constante relación con estudiantes de Grado, Máster, y Doctorado. El grupo constituye un excelente entorno para la formación de personal investigador, y contribuye a iniciar la carrera investigadora de numerosos alumnos mediante la supervisión de TFGs y TFMs experimentales (más de 35 defendidos y varios en progreso), y Tesis Doctorales (12 defendidas, 3 con premio extraordinario de doctorado, y 2 en progreso). Los IP forman parte del Programa de Doctorado en Biotecnología Avanzada (UMA) en el que se matriculan los doctorandos del grupo. El grupo cuenta con un excelente historial de becas y contratos conseguidos por sus investigadores en formación, que además disfrutan de estancias externas de investigación en grupos colaboradores, y consiguen una considerable producción científica. La mayor parte de los doctores egresados continúan en activo en investigación básica o aplicada, algunos con destacable éxito.

ARTÍCULOS SELECCIONADOS

1. Lopez-Pagán N, Rufián J S, Luneau J, Sánchez-Romero M-A, Aussel L, van Vliet S, Ruiz‑Albert J, Beuzón CR (2025) Pseudomonas syringae subpopulations cooperate by coordinating flagellar and type III secretion spatiotemporal dynamics to facilitate plant infection. Nat. Microbiol.10, 958–972.
2. López-Pagán N, Rufián JS, Ruiz-Albert J, Beuzón CR. (2024) Dual-Fluorescence Chromosome-Located Labeling System for Accurate In Vivo Single-Cell Gene Expression Analysis in Pseudomonas syringae. Methods Mol Biol. 2751:95-114.
3. Rufián JS, Rueda-Blanco J, Beuzón CR, Ruiz-Albert J. (2023) Suppression of NLR-mediated plant immune detection by bacterial pathogens. J Exp Bot. Jul 10:erad246.
4. López-Márquez D, Del-Espino A, Ruiz-Albert J, Bejarano ER, Brodersen P, Beuzón CR. (2023) Regulation of plant immunity via small RNA-mediated control of NLR expression. J Exp Bot. 2023 Jul 14:erad268.
5. Rufián JS, López-Pagán N, Ruiz-Albert J, Beuzón CR. (2022) Single-Cell Analysis of the Expression of Pseudomonas syringae Genes within the Plant Tissue. J Vis Exp. (188).
6. Rufián JS, Rueda-Blanco J, López-Márquez D, Macho AP, Beuzón CR, Ruiz-Albert J. (2021) The bacterial effector HopZ1a acetylates MKK7 to suppress plant immunity. New Phytol. 231(3): 1138-1156
7. López-Márquez D, Del-Espino A, López-Pagán N, Rodríguez-Negrete EA, Rubio‑Somoza I, Ruiz-Albert J, Bejarano ER, Beuzón CR (2021) MiR825-5p targets TIR‑NBS-LRR gene MIST1 and downregulates basal immunity against Pseudomonas syringae in Arabidopsis. J Exp Bot. 72(20):7316-7334
8. Rufián JS, Rueda‑Blanco J, Beuzón CR, Ruiz‑Albert J (2019) Protocol: an improved method to quantify activation of systemic acquired resistance (SAR). Plant Methods 15:16
9. Rufián JS, Lucía A, Rueda-Blanco J, Zumaquero A, Guevara CM, Ortiz-Martín I, Ruiz‑Aldea G, Macho AP, Beuzón CR, Ruiz‑Albert J (2018) Suppression of HopZ Effector‑Triggered Plant Immunity in a Natural Pathosystem. Front Plant Sci. 2018 Aug 14;9:977
10. Rufián JS, Macho AP, Corry DS, Mansfield JW, Ruiz‑Albert J, Arnold DL, Beuzón CR (2018) Confocal microscopy reveals in planta dynamic interactions between pathogenic, avirulent and non-pathogenic Pseudomonas syringae strains. Mol Plant Pathol. Mar;19(3):537-551
11. Rufián JS, Sanchez-Romero MA, Lopez-Marquez D, Macho AP, Mansfield JW, Arnold DL, Ruiz‑Albert J, Casadesus J, Beuzon CR (2016) Pseudomonas syringae differentiates into phenotypically distinct subpopulations during colonization of a plant host. Environmental Microbiology 18(10): 3593-3605