Engineering danger sensing and signaling in plant immunity: use of oligosaccharins to enhance durum wheat resistance to fusariosis

Abstract

Fusariosis causes substantial yield losses in wheat crop worldwide and compromises food safety because of the presence of toxins associated to fungal disease. Among the current approaches to crop protection, the use of elicitors, able to activate the natural defense mechanisms of plants, represents a strategy gaining increasing attention. Numerous studies indicate that local application of plant cell wall-derived elicitors, such as oligogalacturonides (OGs) derived from partial degradation of pectin, induces systemic resistance against pathogens in different plant species. The aim of this study was to establish the efficacy of OGs in protecting durum wheat, characterized by an extreme susceptibility to fusariosis caused by Fusarium graminearum (Fg). To evaluate the functionality of OGs as elicitors of immunity and their ability to restrict phytopathogen fungal growth in durum wheat, seedlings and spikes of cv. Svevo were inoculated with OGs, Fusarium graminearum spores or a co-treatment of both. Chitosan (CHIT) was used as a positive control in the experimental setup. Results demonstrated that OGs are active elicitors of wheat defenses, able to trigger the expression of typical immune marker genes and resistance to Fg. Notably, the inhibition of fungal growth in the OGcotreated durum wheat tissues was accompanied by a strong transcriptional downregulation of important positive regulators of mycotoxin biosynthesis. Furthermore, engineered durum wheat plants with potentially altered endogenous OG levels, i.e. OG-machine lines, were generated, characterized and used to evaluate the possible OG involvement in orchestrating wheat responses to Fg infection. Such lines express a chimera protein, composed by a Phaseolus vulgaris polygalacturonase-inhibiting protein and a Fusarium phyllophilum polygalacturonase, under the control of a pathogen-inducible promoter. The OG-machine lines displayed a higher resistance to Fg compared to wild type cv. Svevo and are now under further investigations for the elucidation of molecular mechanisms regulating defense activation upon sensing danger signals in cereals. Data described in my thesis hint that immune system engineering may be exploited to enhance durum wheat resistance to fusariosis, to diminish the usage of chemicals and for a sustainable yield increase.

La fusariosi causa sostanziali perdite di raccolto del grano in tutto il mondo e compromette la sicurezza alimentare a causa della presenza di tossine associate a malattie fungine. Tra gli attuali approcci alla protezione delle colture, l'uso di elicitori, in grado di attivare i naturali meccanismi di difesa delle piante, rappresenta una strategia che sta guadagnando sempre maggiore attenzione. Numerosi studi indicano che l'applicazione locale di elicitori derivati dalla parete cellulare vegetale, come gli oligogalatturonidi (OG) derivati dalla parziale degradazione della pectina, induce resistenza sistemica contro i patogeni in diverse specie vegetali. Lo scopo di questo studio è stato quello di stabilire l'efficacia degli OG nella protezione del grano duro, caratterizzato da un'estrema suscettibilità alla fusariosi causata da Fusarium graminearum (Fg). Per valutare la funzionalità degli OG come elicitori di immunità e la loro capacità di limitare la crescita di funghi fitopatogeni nel grano duro, piantine e spighe di cv. Svevo sono state inoculate con OG, spore di Fg o un co-trattamento. Il chitosano (CHIT) è stato utilizzato come controllo positivo nel setup sperimentale. I risultati hanno dimostrato che gli OG sono elicitori attivi delle risposte di difesa in frumento poiché inducono l’attivazione di tipici geni marcatori dell’immunità e la resistenza a Fg. In particolare, l'inibizione della crescita fungina nei tessuti di grano duro trattati con OG è stata accompagnata da una forte inibizione a livello trascrizionale di importanti regolatori positivi della biosintesi delle micotossine. Inoltre, sono state generate, caratterizzate e utilizzate piante di grano duro ingegnerizzato con livelli di OG endogeni potenzialmente alterati, chiamate linee OG-machine, per valutare il possibile coinvolgimento degli OG nell'orchestrazione delle risposte del grano all'infezione da Fg. Tali linee esprimono una proteina chimerica, composta da un inibitore proteico della poligalatturonasi di Phaseolus vulgaris e una poligalatturonasi di Fusarium phyllophilum, sotto il controllo di un promotore inducibile da patogeni. Le linee OG-machine hanno mostrato una maggiore resistenza a Fg rispetto al controllo, cv. Svevo, e sono ora oggetto di ulteriori indagini per la delucidazione dei meccanismi molecolari che regolano l'attivazione della difesa a seguito della percezione di segnali di pericolo nei cereali. I dati descritti nella mia tesi suggeriscono che l’ingegnerizzazione del sistema immunitario può essere sfruttata per migliorare la resistenza del grano duro alla fusariosi, per diminuire l'uso di sostanze chimiche e per un aumento sostenibile della resa.