Functional genomic approaches, proteomics and transcriptomics, to study legume responses to phytopathogenic fungi

Abstract

The objectives pursued in this PhD thesis are to study the legume responses to phytopathogenic fungi by using a functional genomics approach (transcriptomics and proteomics). The pea (Pisum sativum) and the model legume Medicago truncatula were chosen to study their stress responses to Erysiphe pisi and Mycosphaerella pinodes pathogens. The pea crop constitutes an important source of protein for human consumption, being one of the most grown grain legume in the world, meanwhile M. truncatula is an important forage legume which is being used as a model plant for use in molecular and classical genetic studies. Moreover, within the phytopathogenic fungi, powdery mildew and ascochyta blight are one the most plant pathogenic fungi that seriously constrain crop production worldwide. Within the functional genomics approaches carried out to study the defense mechanisms in legumes to phytopathogenic fungi infection, a differential expression proteomic approach was carried out in order to unveil which resistance mechanisms are involving in the defense response of the pea to E. pisi and M. pinodes infections. The results obtained from the application of this approach in both studies are presented. The changes observed reflect a metabolic adjustment performed by the pea in response to phytopathogen fungi infection. To go deeper into the knowledge of the defence mechanism related to the response to E. pisi infection in legumes, two different transcriptomics approaches were performed using the model legume M. truncatula. Thus, M. truncatula - E. pisi pathosystem was analyzed by using microarray and quantitative real-time PCR platforms, respectively. These results revealed a wide variety of mechanisms and pathways involved in M. truncatula in response to E. pisi infection, including an important number of genes belonging to diverse functional groups, which will help to develop new genetic tools in the breeding program in legumes.

Los objetivos planteados en esta tesis doctoral son analizar las respuestas de las leguminosas a la infección de hongos fitopatógenos mediante el uso de una aproximación de genómica funcional (transcriptómica y proteómica). El guisante (Pisum sativum) y la leguminosa modelo Medicago truncatula fueron elegidas para estudiar sus respuestas de estrés a los patógenos Erysiphe pisi y Mycosphaerella pinodes. Dentro de las aproximaciones de genómica funcional llevadas a cabo para estudiar los mecanismos de defensa de las leguminosas a la infección de hongos fitopatógenos, una aproximación de proteómica diferencial fue llevada a cabo con el objetivo de revelar cuáles son los mecanismos de resistencia implicados en las respuestas de defensa del guisante a la infección de E. pisi y M. pinodes. Los resultados obtenidos de la aplicación de esta aproximación en ambos estudios son presentados. Los cambios observados reflejan un ajuste metabólico del guisante en respuesta a la infección de estos hongos fitopatógenos. Para profundizar en el conocimiento de los mecanismos de defensa de las leguminosas en respuesta a la infección de E. pisi, dos aproximaciones transcriptómicas diferentes fueron realizadas usando la leguminosa modelo M. truncatula. En consecuencia, el patosistema M. truncatula - E. pisi fue analizado mediante dos plataformas, microarray y PCR cuantitativa en tiempo real, respectivamente. Estos resultados revelaron una amplia variedad de mecanismos y rutas implicadas en las respuestas de defensa de M. truncatula en respuesta a la infección de E. pisi, incluyendo un importante número de genes pertenecientes a diversos grupos funcionales, los cuales ayudaran en el desarrollo de nuevas herramientas genéticas en los programas de mejora vegetal en leguminosas.