The Contribution of the Polyamine Spermine to Plant Defense

Abstract

[eng] Polyamines are essential in plant defense, with putrescine (Put), spermidine (Spd), and spermine (Spm) being the most abundant types. In response to various pathogens, including Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000 (Pst DC3000), polyamine levels increase, highlighting their importance in immune responses. Our research compared the effects of Put and Spm on pathogen-associated molecular pattern (PAMP)-triggered immunity (PTI) responses in Arabidopsis. While Put enhances the production of reactive oxygen species (ROS) triggered by PAMPs like flg22, Spm exhibits an inhibitory effect on this ROS burst depending on RBOHD (RESPIRATORY BURST OXIDASE HOMOLOG D). It also attenuates cytosolic calcium influx stimulated by flg22, suggesting a broader influence on PTI signaling pathways. Genome-Wide Association Studies (GWAS) conducted using 136 Arabidopsis accessions from diverse populations aimed to unravel the genetic determinants behind the Spm inhibitory effect on flg22-induced ROS production. This approach identified specific single nucleotide polymorphisms (SNPs), shedding light on candidate genes involved in the process. Additionally,we also found that Pst DC3000 stimulates Put biosynthesis through coronatine perception and jasmonic acid (JA) signaling, independent of salicylic acid (SA). Conversely, Spm deficiency resulted in heightened JA signaling and compromised SA-mediated defense responses, stimulating disease resistance to Botrytis cinerea. Moreover, Spm deficiency was linked to increased endoplasmic reticulum (ER) stress signaling in response to Pst DC3000, suggesting a role for Spm in buffering ER stress during defense. In summary, this research provides valuable insights into the differential contributions of Spm to PTI and broader plant defense mechanisms.

[cat] Les poliamines són essencials en la defensa de les plantes, sent la putrescina (Put), l'espermidina (Spd) i l'espermina (Spm) els tipus més abundants. En resposta a diversos patògens, inclòs Pseudomonas syringae pv. tomàquet DC3000 (Pst DC3000), els nivells de poliamines augmenten, destacant la seva importància en les respostes immunitàries. La nostra investigació va comparar els efectes de Put i Spm sobre les respostes de la immunitat activada per patògens associats (PAMP) (PTI) a Arabidopsis. Si bé Put millora la producció d'espècies reactives d'oxigen (ROS) desencadenada per PAMP com flg22, Spm presenta un efecte inhibidor sobre aquesta explosió de ROS depenent de RBOHD (RESPIRATORY BURST OXIDASE HOMOLOG D). També atenua l'afluència de calci citosòlic estimulada per flg22, cosa que suggereix una influència més àmplia en les vies de senyalització PTI. Estudis d'associació a tot el genoma (GWAS) realitzats mitjançant 136 accessions d'Arabidopsis de diverses poblacions amb l'objectiu de desentranyar els determinants genètics darrere de l'efecte inhibidor de Spm en la producció de ROS induïda per flg22. Aquest enfocament va identificar polimorfismes d'un sol nucleòtid (SNP) específics, donant llum als gens candidats implicats en el procés. A més, també vam trobar que Pst DC3000 estimula la biosíntesi de Put mitjançant la percepció coronatina i la senyalització d'àcid jasmònic (JA), independentment de l'àcid salicílic (SA). Per contra, la deficiència de Spm va donar lloc a un augment de la senyalització JA i va comprometre les respostes de defensa mediades per SA, estimulant la resistència a la malaltia a Botrytis cinerea. A més, la deficiència de Spm es va relacionar amb l'augment de la senyalització d'estrès del reticle endoplasmàtic (ER) en resposta a Pst DC3000, cosa que suggereix un paper per a Spm en l'amortiment de l'estrès ER durant la defensa. En resum, aquesta investigació proporciona informació valuosa sobre les contribucions diferencials de Spm a la PTI i els mecanismes de defensa de les plantes més amplis.