Bacterial chemosensory signaling pathways and their role in plant pathogenesis
Authors:   , Munar Palmer Martí 
Published: November 2024

Chemoperception allows bacteria to perceive environmental stimuli and respond accordingly. It is governed by signaling pathways called chemosensory systems, composed of chemoreceptors or MCPs, a histidine kinase CheA, an adaptor protein CheW, and a response regulator CheY. Other proteins come into place for adaptability to stimuli (CheR and CheB) and signal termination (CheZ).

The main objective of this thesis is to uncover the role of chemoperception in the context of bacterial plant pathogenesis using two model plant pathogens: Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000 (PsPto) and Dickeya dadantii 3937 (Dd3937).

In the first chapter, the roles of the multiple chemosensory systems of PsPto were explored in the context of plant pathogenesis. While some bacteria possess a single chemosensory system in charge of governing chemotaxis, others possess more than one system putatively involved in other processes that remain poorly understood. Chemosensory systems are categorized in three functional groups: those that evolve to control flagellar motility (F), type IV pilus-based motility (Tfp), and those involved in alternative (non-motility) cellular functions (ACF). PsPto contains four chemosensory systems, categorized as F6, F8, ACF, and Tfp. Here, the PsPto chemoreceptors were assigned to chemosensory systems and the F and ACF systems of PsPto were deeply characterized. Moreover, the F6 and F8 chemosensory systems of PsPto were visualized for the first time using cryo-electron tomography. Analysis through mutations in the kinase and response regulator for each chemosensory system confirmed how chemotaxis and swimming motility is governed by the F6 system, while the F8 and the ACF systems play a modulating role in swimming motility. Also, the kinase and response regulator from the F6 and F8 chemosensory systems were found to work independently in the regulation of biofilm and twitching motility. Furthermore, it was shown how the F6, F8, and ACF kinases interact with the ACF response regulator WspR, supporting a crosstalk among chemosensory systems. Finally, the implication of these chemosensory systems in regulating bacterial virulence in tomato plants was observed.

In the second chapter, the PsPto-PscC chemoreceptor and its importance in the PsPto pathogenicity was characterized. The importance of chemotaxis in plant pathogenicity has been experimentally proven. However, knowledge on the specific plant components that elicit this response is still scarce. PsPto-PscC was found to bind GABA and L-Pro, two abundant components of the tomato apoplast. The recognition of both compounds by PsPto-PscC caused chemoattraction to both amino acids and participated in the regulation of GABA catabolism. Mutation of the PsPto-PscC chemoreceptor caused a reduced chemotactic response towards these compounds, which in turn impaired entry and reduced virulence in tomato plants. Since GABA and L-Pro levels significantly increase in tomato plants upon pathogen infection, this exemplifies how bacteria respond to plant signals produced during the interaction as cues to access the plant apoplast and to ensure efficient infection.

In the third chapter, energy taxis was explored in Dd3937 through the analysis of three PAS domain-containing chemoreceptors. Energy taxis is a process by which bacteria perceive their inner metabolic state and control flagellar motility as a response. Dd3937 contains three chemoreceptors structurally homologous to Escherichia coli Aer (DDA_RS17070, DDA_RS12290, and DDA_RS12165), which is known to mediate energy taxis in this bacterium. Mutational analysis revealed how DDA_RS12165 plays a role in supporting optimal growth under rich media and minimal media containing succinate as a sole carbon source. Moreover, DDA_RS12290 was observed to potentially play a role in sensing oxygen concentration. In terms of pathogenesis, all three chemoreceptors were observed to play a crucial role in regulating symptom development in potato plants.

RESUMEN

La quimiopercepción es un proceso que permite a bacterias percibir estímulos ambientales y responder en consecuencia. Está controlado por rutas de señalización llamadas sistemas quimiosensoriales, que se componen de quimiorreceptores, una histidina quinasa CheA, una proteína adaptadora CheW y un regulador de respuesta CheY. También intervienen proteínas adicionales que regulan la adaptación a estímulos (CheR y CheB) y la terminación de la señal (CheZ).

El objetivo principal de esta tesis es estudiar el papel de la quimiopercepción en el contexto de la fitopatogénesis bacteriana utilizando dos patógenos vegetales modelo: Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000 (PsPto) y Dickeya dadantii 3937 (Dd3937).

Primero, se investigaron las funciones de los múltiples sistemas quimiosensoriales de PsPto. Mientas que algunas bacterias poseen un único sistema que controla la quimiotaxis, muchas bacterias poseen más de un sistema, cuyas funciones son aún desconocidas. Estos sistemas se categorizan en tres grupos funcionales: los involucrados en motilidad flagelar (F), en motilidad basada en pili tipo IV (Tfp), y los involucrados en funciones celulares alternativas a la motilidad (ACF). PsPto contiene cuatro sistemas clasificados como F6, F8, ACF y Tfp. Aquí, se asignaron los quimiorreceptores de PsPto a sus diferentes sistemas y se caracterizaron los sistemas de tipo F y ACF. Se visualizaron por primera vez los sistemas F6 y F8 de PsPto mediante criomicroscopía electrónica. El análisis a través de mutaciones en la quinasa y el regulador de respuesta de cada sistema confirmó cómo la quimiotaxis y la motilidad tipo swimming están gobernadas por el sistema F6, mientras que los sistemas F8 y ACF desempeñan un papel modulador en la motilidad tipo swimming. También se observó cómo la quinasa y el regulador de respuesta de los sistemas F6 y F8 trabajan de manera independiente en la regulación del biofilm y la motilidad tipo twitching. Además, se observó cómo las quinasas de F6, F8 y ACF interactúan con el regulador de respuesta del sistema ACF, WspR, lo que confirma una interacción cruzada entre los sistemas quimiosensoriales. Finalmente, se mostró cómo los sistemas F y ACF juegan un papel importante en la regulación de la virulencia en PsPto.

Segundo, se llevó a cabo la caracterización del quimiorreceptor PsPto-PscC y su importancia en patogénesis. La importancia de la quimiotaxis en mediar procesos de entrada a estructuras de la planta está ampliamente demostrada. Sin embargo, los componentes vegetales específicos que estimulan la entrada todavía no se conocen en profundidad. En este trabajo se determinó que el quimiorreceptor PsPto-PscC une ácido -aminobutírico (GABA) y L-prolina (L-Pro), dos componentes abundantes del apoplasto de las plantas de tomate. Se comprobó cómo la quimioatracción de PsPto hacia estos compuestos está mediada por PsPto-PscC, y que dicha interacción afecta a la regulación génica y a la virulencia de PsPto. Estos compuestos aumentan como respuesta defensiva de la planta ante el contacto con un patógeno, por lo que éste es un ejemplo de cómo las bacterias utilizan compuestos vegetales como señal para una infección exitosa.

Por último, se exploró el proceso de taxis energética en Dd3937 a través del análisis de mutantes en tres quimiorreceptores con dominio PAS: DDA_RS17070, DDA_RS12290 y DDA_RS12165. Éstos son estructuralmente homólogos al Aer de Escherichia coli, conocido por mediar la taxis energética en esta bacteria. Este proceso permite a las bacterias percibir su estado metabólico y modular la motilidad flagelar como respuesta. En este trabajo se observó que DDA_RS12165 es necesario para el crecimiento óptimo de Dd3937 en diferentes medios de cultivo. También se determinó el potencial rol de DDA_RS12290 en la percepción de oxígeno. Finalmente, se observó cómo los tres quimiorreceptores están involucrados en la patogenicidad, con gran significancia en el desarrollo de síntomas en plantas de patata.