Biología de las interacciones beneficiosas planta-microorganismo

Grupo Especializado:

Biología de las interacciones beneficiosas planta-microorganismo

Departamento de Microbiología de la Facultad de Biología de la Universidad de Sevilla. Avda. de Reina Mercedes 6, 41012-Sevilla.

Actualmente, dentro del grupo de investigación hay seis miembros que actúan como investigadores principales y que pertenecen al grupo PAIDI de la Junta de Andalucía, BIO-169: José María Vinardell González, Francisco Javier López Baena, Carlos Medina Morillas, Patricia Bernal Guzmán (> ver más), Jose Manuel Borrero de Acuña (> ver más) y Francisco Pérez Montaño (> ver más).

El grupo de investigación estudia diversas rizobacterias que promueven el crecimiento de plantas de interés agrícola mediante biofertilización, bioestimulación y/o biocontrol. Principalmente investigamos las señales moleculares que rigen la interacción simbiótica fijadora de N₂ atmosférico establecida entre rizobios y leguminosas (factores de nodulación, polisacáridos de superficie y efectores del sistema de secreción de tipo III o T3SS) y los mecanismos utilizados por bacterias para controlar el crecimiento, la colonización o la infección de bacterias fitopatógenas en cultivos de interés agrícola. Nos centramos especialmente en aquellos agentes de biocontrol que usan para ello el sistema de secreción de tipo VI o T6SS y las vesículas de membrana.

Utilizamos los modelos: a) Sinorhizobium fredii–soja, b) Rhizobium tropici–judía, c) Sinorhizobium meliloti-alfalfa, y d) Pseudomonas putida-fitopatógenos.

Nuestro objetivo es generar conocimiento que contribuya a una agricultura sostenible y a su adaptación a ambientes adversos, con el fin de generar alternativas y así evitar, o al menos disminuir, el uso de fertilizantes y pesticidas químicos.

A continuación se detallan los componentes del grupo PAIDI por orden alfabético:

BIO169: Biotecnología de la Interacción de Microorganismos con leguminosas y otras plantas de interés agrícola

- Azogue Palma, Carlos – Becario contratado de proyecto
- Ayala García, Paula – Becaria predoctoral FPU
- Bernal Guzmán, Patricia – Contratada Ramón y Cajal
- Borrero de Acuña, José Manuel – Contratado Emergia
- Buendía Clavería, Ana María – Profesora Titular de Universidad
- Cubo Sánchez, María Teresa – Profesora Titular de Universidad
- Espuny Gómez, María del Rosario – Catedrática de Universidad
- Fuentes Romero, Francisco – Becario predoctoral Junta de Andalucía
- García Rodriguez, Diego – Becario predoctoral PIF
- Jiménez Guerrero, Irene – Investigadora Juan de la Cierva
- López Baena, Francisco Javier – Profesor Titular de Universidad
- Medina Morillas, Carlos – Profesor Contratado Doctor
- Moreno de Castro, Natalia – Becaria predoctoral FPU
- Ollero Márquez, Francisco Javier – Catedrático de Universidad
- Pérez Montaño, Francisco – Profesor Titular de Universidad
- Reyes Pérez, Pedro José – Becario predoctoral contratado de proyecto
- Ruiz Sainz, José Enrique – Catedrático de Universidad
- Vinardell González, José María – Catedrático de Universidad

JoseBorrero

Ingeniería de las vesículas de membrana en rizobios para mejorar la nodulación y el crecimiento de las plantas

IP: Jose Manuel Borrero de Acuña

En este proyecto se propone aprovechar todo el potencial de las vesículas externas de membrana en beneficio de las interacciones rizobios-planta. Para ello, emplearemos técnicas de interactómica consistentes en purificación por afinidad junto con espectrometría de masas para identificar las interacciones proteína-proteína subyacentes a la biogénesis de estas vesículas en diferentes especies de rizobios. A continuación, induciremos la expresión de estas proteínas encontradas en los estudios interactómicos para modular la formación de vesículas. Finalmente, adaptaremos la carga proteica y metabólica de estas vesículas de membrana que encapsulan factores de nodulación, enzimas fijadoras de nitrógeno o inhibidores de fitopatógenos para mejorar la nodulación, la fijación de nitrógeno y, en última instancia, el crecimiento de las plantas.

PatriciaBernal

**El sistema de secrecion de tipo VI (T6SS) de Pseudomonas putida. Potente arma de biocontrol para la protección de cultivos de interés**

IP: Patricia Bernal

La línea de investigacion de la Dra. Bernal se centra en el estudio de los Sistemas de Secrecion de Tipo VI (T6SS) en Pseudomonas putida. P. putida es una bacteria del suelo con la capacidad de colonizar la raíz de diferentes plantas de cultivo proporcionando ventajas de crecimiento y al mismo tiempo protección contra patógenos; por ello esta cepa es considerada un excelente agente de control biológico (biocontrol). El biocontrol de las enfermedades producidas por patógenos de plantas se considera una excelente alternativa a los pesticidas químicos para proteger nuestros cultivos, ya que estos pueden provocar la contaminacion del subsuelo y la pérdida de la microbiota natural tanto del suelo como de la planta. Por esta razón, desde los organismos de financiacion se han priorizado diferentes iniciativas destinadas a promover una agricultura más sostenible, entre las que se encuadra el biocontrol. Para progresar en este campo de investigación, es clave entender de una manera global y completa los mecanismos moleculares de control biológico llevados a cabo por agentes de biocontrol conocidos y bien establecidos como Pseudomonas putida.

En P. putida, el T6SS ha sido establecido recientemente como un importante mecanismo de biocontrol que confiere a esta estirpe casi la totalidad de su capacidad biocontroladora (Bernal et al. 2017). El T6SS se considera una potente arma antibacteriana y P. putida lo usa eficientemente para aniquilar patógenos de plantas extremadamente deletéreos como Pseudomonas syringae o Agrobacterium tumefaciens. P. putida contiene tres T6SSs denominados K1-, K2- y K3-T6SS. El K1-T6SS se induce en fase de crecimiento estacionaria, secreta toxinas y destruye a una amplia gama de bacterias fitopatógenas tales como P. syringae, Xanthomonas campestris o Agrobacterium tumefaciens (Bernal et al. 2017, Bernal et al. 2021). Esta capacidad antimicrobiana ante fitopatógenos se ha observado tanto en experimentos in vitro como en experimentos in planta (Bernal et al. 2017, Bernal et al. 2021).

A nivel estructural, el T6SS es una nanomáquina contráctil formada por un componente de membrana, una cola (tubo y vaina contráctil) y una placa base. El componente de membrana ancla el sistema a la envoltura celular que reúne a los componentes de la placa base desde donde polimeriza la cola. Una vez el sistema está ensamblado, la vaina se contrae y el tubo con las proteínas efectoras se eyecta al interior de las células dianas (Fig. 3). Un componente elemental de este sistema, la proteína TssA, es indispensable para el ensamblaje de la vaina. A pesar de su función clave, las proteínas TssA exhiben una diversidad inesperada y existen en dos formas principales, una forma corta (TssA_S) y una forma larga (TssA_L). Mientras las proteínas TssA_L interactúan con la proteína TagA para anclar el extremo distal de la vaina extendida, el mecanismo de estabilización de los T6SS que contienen TssA_S siguía siendo desconocido. En un estudio reciente (Bernal et al., 2021) hemos identificado una nueva categoría de componentes estructurales (proteínas TagB y TagJ) que interactúan con proteínas TssA_s y contribuyen al ensamblaje del T6SS estabilizando la vaina polimerizada desde la placa base. Además, hemos demostrado que la presencia de estos componentes es importante para la extensión completa de la vaina y para mantener una capacidad de disparo óptima. Asimismo, se ha visto que la asociación de las distintas formas de proteínas TssA con una clase diferente de proteínas estabilizadoras de la vaina resulta en T6SS que bien residen en la célula durante algún tiempo (TssA_L-TagA) o disparan inmediatamente después de la extensión de la vaina (TssA_S-TagB). Se propone, que esta diversidad en la dinámica de tiro podría contribuir a la especialización del T6SS para adaptarse a diferentes estilos de vida bacterianos en diversos nichos ambientales (Bernal et al., 2021).

Las líneas de investigación que se llevan a acabo en el laboratorio de la Dra. Bernal están dirigidas a conocer más fondo la función y el mecanismo de acción de estos sistemas antimicrobianos, lo quepermitir adaptarlos para desarrollar agentes de biocontrol altamente eficaces que sean más específicos y con una mayor potencia para erradicar patógenos de plantas y ser una herramienta para futuras aplicaciones biotecnológicas aplicadas a la agricultura.

En este video se resume el proyecto financiado por la Fundacion BBVA entre 2021-2022 y titulado: El superagente de biocontrol Pseudomonas putida KT2440 como medida sostenible de lucha frente a Xylella fastidiosa, la gran amenaza de nuestro olivar

Proyectos activos

Título del Proyecto: Engineering extracelular membrane vesicles from rhizospheric bacteria for the development of biopesticides and plant-growth promoting agents.
- Entidad Financiadora: Proyectos de Excelencia 2021. Secretaría General de Universidades, Investigación y Tecnología, Junta de Andalucía.
- Referencia: ProyExcel_00450 Entidad Líder: Universidad de Sevilla
  Periodo: diciembre 2022-noviembre 2025 Cuantía de la subvención: 140.937,14€
  
  Investigadora Responsable: Dra Patricia Bernal & Jose Manuel Borrero de Acuña
Título del Proyecto: Desarrollo de pesticidas biológicos basados en vesículas de membrana como alternativa sostenible a los pesticidas químicos altamente contaminantes (BIOPESTOMV).
- Entidad Financiadora: Ministerio de Ciencia e Innovación, Proyectos Estratégicos Orientados a la Transición Ecológica y a la Transición Digita 2021, Gobierno de España
- Referencia: TED2021-130357B-I00 Entidad Líder: Universidad de Sevilla
  Periodo: diciembre 2022-noviembre 2024 Cuantía de la subvención: 253.000,00€
  
  Investigadora Responsable: Dra Patricia Bernal & Jose Manuel Borrero de Acuña
Título del Proyecto: Optimizando Pseudomonas putida como agente protector de cultivos: señales ambientales, especificidad y eficiencia del sistema de secreción tipo vi como arma de biocontrol
- Entidad Financiadora: Ministerio de Ciencia e Innovación, Proyectos de Generación de Conocimiento 2021, Gobierno de España
- Referencia: PID2021-123000OB-I00 Entidad Líder: Universidad de Sevilla
  Periodo: septiembre 2022-agosto 2025 Cuantía de la subvención: 175.450,00€
  
  Investigadora Responsable: Dra Patricia Bernal
Título del Proyecto: Estudios de control biológico para la protección de cultivos a través del uso del sistema de secreción de tipo VI (T6SS) bacteriano
- Entidad Financiadora: Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades, Programa Ramón y Cajal Convocatoria 2019, Gobierno de España
- Referencia: RYC2019-026551-I Entidad Líder: Universidad de Sevilla
- Periodo: abril 2021-marzo 2026 Investigadora Responsable: Dra. Patricia Bernal

Publicaciones destacadas

Bernal, P*, Civantos, C, Pacheco-Sánchez, D, Quesada, JM, Filloux, A*, and Llamas*, MA (2023). Transcriptional organization and regulation of the Pseudomonas putida K1 Type VI secretion system gene cluster. Microbiology 169:001295. (*Co-autora de correspondencia).
González-Magaña, A, Altuna,J, Queralt-Martín, M, Largo, E, Velázquez, C, Montánchez, I, Bernal, P, Alcaraz, A, Albesa-Jové, D (2022). The P. aeruginosa effector Tse5 forms ion-selective membrane pores that disrupt the membrane potential of intoxicated bacteria. Communications Biology. 5:1189.
Bernal, P*, Eberl, L., de Jonge, R., Lepek, V.C. & Malone, J.G. (2021) Understanding plant-microorganism interactions to envision a future of sustainable agriculture. Editorial. Environ Microbiol. 23:1809-1811 (*Autora de correspondencia).
Borrero de Acuña, JM, & Bernal, P* (2021). Plant holobiont interactions mediated by the type VI secretion system and the membrane vesicles: promising tools for a greener agriculture. Environ Microbiol. 23:1830-1836 (*Autora de correspondencia).
Durán, D, Bernal, P, David Vazquez-Arias, Blanco-Romero, E, Garrido-Sanz, D, Redondo-Nieto, M, Rivilla, R and, Martin, M. (2021). Pseudomonas fluorescens F113 type VI Secretion Systems mediate bacterial killing and adaption to the rhizosphere microbiome. Scientific Report 11:5772-5785.
Bernal, P, Furniss, CD, Fecht, S, Leung, RCY, Spiga, L, Mavridou, DAI & Filloux. (2021). A novel stabilization mechanism for the type VI secretion system sheath. Proc Natl Acad Sci. 118:e2008500118
Bernal, P, Murillo-Torres, M & Allsopp, LP (2020). Integrating signals to drive T6SS killing. Environ Microbiol 22:4520-4523.
Allsopp, LP, Bernal, P, Nolan, L & Filloux A. (2020). Causalities of War: The connection between T6SS & microbiota. Cell Microbiol 22:e13153.
Bernal, P. *, Llamas, MA, Filloux, A. (2018). Type VI secretion Systems in plant-associated bacteria. Environ Microbiol 20:1-15 (*Autora de correspondencia).
Bernal, P. *, Allsopp, L.P., Filloux, A., and Llamas M.A. (2017). The Pseudomonas putida T6SS is a plant warden against phytopathogens. ISME Journal 11:972-987 (*Autora de correspondencia).

Paquito

¿Antibiosis o simbiosis? Caracterizando el sistema de secreción de tipo VI de Sinorhizobium fredii USDA257

IP: Francisco Pérez Montaño

Una de las características más importantes en la simbiosis rizobio-leguminosa es la especificidad, de manera que cada especie de rizobio es capaz de nodular con un rango concreto de leguminosas, que puede ser más o menos amplio. En esta especificidad es crucial no solo el reconocimiento molecular inicial mediado por flavonoides (exudados por la leguminosa) y factores Nod (producidos por el rizobio), sino que también existen otras moléculas bacterianas que son necesarias para el desarrollo de las diferentes etapas durante el proceso de nodulación. De entre estas moléculas destacan los polisacáridos superficiales y las proteínas secretadas a través del sistema de secreción de proteínas de tipo III. Recientemente, se ha descrito que otro sistema de secreción de proteínas, el de tipo VI o T6SS, parece estar igualmente involucrado en la culminación del proceso simbiótico en ciertos rizobios. El T6SS, involucrado tanto en patogénesis como en la competición entre bacterias, es una maquinaria bacteriana a través de la cual se secretan toxinas/efectores al interior de células procariotas/eucariotas. Este proyecto tiene como objetivo profundizar en los mecanismos que determinan la especificidad y la eficiencia de la nodulación mediados por el T6SS en los rizobios, usando como organismo modelo Sinorhizobium fredii USDA257, estirpe con uno de los mayores rangos de hospedador conocido. Además, en este proyecto se pretende determinar el papel de este sistema de secreción de proteínas en la competición con otras bacterias rizosféricas incluyendo algunas fitopatógenas. Los resultados esperados de este proyecto mejorarán el conocimiento existente sobre los mecanismos responsables de la compatibilidad rizobio-leguminosa, así como el posible uso de los rizobios no solo como agentes biofertilizantes sino también como agentes de biocontrol. Estos organismos pueden convertirse así en una referencia para el diseño de biofertilizantes con valor añadido (actividad biocontroladora) para leguminosas, cuyo empleo constituye una de las estrategias más destacadas de agricultura sostenible que se basa en la disminución del uso de fertilizantes nitrogenados y pesticidas químicos, en favor del uso racional de inoculantes bacterianos.