Published December 12, 2024
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Publication
Identification and functional analysis of plant targets of effectors of the root-knot nematode Meloidogyne incognita
Creators
Contributors
Others:
- Institut Sophia Agrobiotech (ISA) ; Université Nice Sophia Antipolis (1965 - 2019) (UNS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Recherche pour l'Agriculture, l'Alimentation et l'Environnement (INRAE)-Université Côte d'Azur (UniCA)
- Université Côte d'Azur
- Bruno Favery
Description
Among plant parasitic nematodes, root-knot nematodes (RKNs) of the genus Meloidogyne have a remarkable ability to infect more than 5,500 plant species, including major crops, posing a serious threat to global agriculture. The increase in RKN populations due to climate change and the limitation of control methods underlines the need for rapid progress in the development of new effective resistance strategies. RKNs orchestrate a complex molecular reprogramming of plant root cells leading to the formation of a permanent feeding structure made of multinucleated and hypertrophied giant cells that provide nutrients to the nematode. Effector proteins produced in oesophageal glands of the RKNs and secreted in planta through a syringe-like stylet, are instrumental in hijacking host cellular processes and enabling giant cell development and maintenance. These effectors target different subcellular compartments, including the nucleus, to modulate key cellular activities. Understanding the molecular functions of nematode effectors and the mechanisms they target in the host plant, is of interest on a fundamental point of view, and also for applied purposes.Using a combination of comparative genomics and transcriptomics, several candidate effectors of Meloidogyne incognita were identified. In situ hybridization confirmed that these effectors are expressed in juvenile salivary glands, supporting their potential for direct secretion into plant tissues. Agroinfiltration of GFP-tagged effectors in Nicotiana benthamiana identified specific effectors targeting the plant cell nucleus and nucleolus, suggesting manipulation of plant nuclear and nucleolar processes. By studying the role of these nuclear effectors using a luminescence-based splicing reporter assay, we were able to identify MiEFF186 as a modulator of alternative splicing. The search for the plant targets of MiEFF186 in tomato roots, using a yeast two-hybrid assay, identified two proteins, CIS2/GDP1 and RRS1. These proteins have been shown to be involved in the modulation of alternative splicing and/or in ribosome biogenesis. Co-localization assays showed that MiEFF186 interacts with CIS2/GDP1 and RRS1 in the plant nucleolus, suggesting that RKNs hijack nucleolar functions to create favorable conditions for the formation of the feeding site. Functional analysis of CIS2/GDP1 using co-immunoprecipitation, VIGS and mutant plants confirmed the critical role of the CIS2/GDP1-MiEFF186 interaction in successful RKN infection. The results obtained for RRS1 showed the potential regulation by MiEFF186 of ribosome biogenesis in the nucleolus.This work provides important insights into the molecular strategies used by RKNs to exploit plant cell machinery, particularly nucleolar functions, to establish and maintain feeding sites. By identifying critical plant targets of nematode effectors, this research opens up new avenues for the development of crop protection strategies aimed at disrupting these molecular interactions to improve resistance to RKNs.
Abstract (French)
Les nématodes à galles (RKN) du genre Meloidogyne se distinguent par leur capacité à infecter plus de 5 500 espèces végétales, y compris les principales cultures, constituant ainsi une menace sérieuse pour l'agriculture mondiale. L'augmentation des populations de RKN due au changement climatique et la limitation des méthodes de lutte souligne l'urgence de progresser dans le développement de nouvelles stratégies de résistance efficaces. Les RKN orchestrent une reprogrammation moléculaire complexe des cellules végétales, entraînant la formation d'un site nourricier permanent composé de cellules géantes multinucléées et hypertrophiées, fournissant tous les nutriments nécessaires au nématode. Les effecteurs produits dans les glandes œsophagiennes des RKN et sécrétées in planta par un stylet ressemblant à une seringue, jouent un rôle déterminant dans le détournement des processus cellulaires de l'hôte et permettent le développement et le maintien des cellules géantes. Ces effecteurs ciblent différents compartiments subcellulaires, y compris le noyau, afin de manipuler les activités cellulaires de la plante. Comprendre les fonctions moléculaires des effecteurs de nématodes et les mécanismes qu'ils ciblent dans l'hôte végétal pour l'infection présente un intérêt à la fois fondamental et appliqué.Grâce à une combinaison d'approches de génomique comparative et de transcriptomique, plusieurs effecteurs candidats de Meloidogyne incognita ont été identifiés. L'hybridation in situ a confirmé que ces effecteurs sont exprimés dans les glandes salivaires des juvéniles, ce qui soutient leur potentiel de sécrétion directe dans les tissus végétaux. L'agroinfiltration d'effecteurs fusionnés à la GFP dans Nicotiana benthamiana a permis d'identifier des effecteurs spécifiques ciblant le noyau et le nucléole des cellules végétales, suggérant une manipulation des processus nucléaires et nucléolaires de la plante. En étudiant le rôle de ces effecteurs nucléaires à l'aide d'un test rapporteur de l'épissage basé sur la luminescence, nous avons pu identifier MiEFF186 comme un modulateur de l'épissage alternatif. La recherche des cibles végétales dans les racines de tomate de MiEFF186, à l'aide d'un crible double hybride chez la levure, a permis d'identifier deux protéines, CIS2/GDP1 et RRS1. Ces protéines sont connues pour être impliquées dans la modulation de l'épissage alternatif et/ou dans la biogenèse des ribosomes. Les essais de colocalisation ont montré que MiEFF186 interagit avec CIS2/GDP1 et RRS1 dans le nucléole des cellules végétales, suggérant que les RKN détournent les fonctions nucléolaires pour créer des conditions favorables à la formation du site nourricier. L'analyse fonctionnelle de CIS2/GDP1, utilisant la co-immunoprécipitation et des phénotypages de plantes VIGS et mutantes, a confirmé le rôle crucial de l'interaction CIS2/GDP1-MiEFF186 dans la réussite de l'infection par les nématodes. Les résultats obtenus pour RRS1 ont montré la régulation potentielle par MiEFF186 de la biogenèse des ribosomes dans le nucléole.Ce travail apporte des informations importantes sur les stratégies moléculaires utilisées par les RKN pour exploiter la machinerie cellulaire des plantes, en particulier les fonctions nucléolaires, afin d'établir et de maintenir les sites nourriciers. En identifiant des cibles végétales clés des effecteurs de nématodes, cette recherche ouvre de nouvelles perspectives pour le développement de stratégies de protection des cultures visant à perturber ces interactions moléculaires afin d'améliorer la résistance aux nématodes à galles.Additional details
Identifiers
- URL
- https://theses.hal.science/tel-04993917
- URN
- urn:oai:HAL:tel-04993917v1
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- UNICA