The role of ferritin and iron in the interactions between potato tubers and Streptomyces scabiei

Abstract

Abstract: Potato (Solanum tuberosum) is an important staple food crop and fourth-most grown in the world. This underground crop has been severely affected by a disease called common scab, which is caused by soil-borne Gram-positive actinobacterium Streptomyces scabiei (syn. S. scabies) leading to deep pitted, raised, superficial or corky lesions on the surface of potato tubers. These lesions reduce the market value of infected tubers resulting in great economic losses. Out of numerous disease control measures practiced so far, the development and use of disease-resistant potato cultivars are being considered as the most effective and less expensive strategy. Studies on the infection process of S. scabiei have shown that it secretes a phytotoxin called thaxtomin A (TA) that is required for the development of disease symptoms, therefore, marking as a pathogenicity determinant for the disease development. Dr. Nathalie Beaudoin’s laboratory developed a new technique to enhance common scab resistance in potato varieties from Quebec by habituating somatic cells to TA. Yukon Gold somaclones YG8 and YG32 produced by this method were significantly more resistant to common scab in comparison to the original cultivar YGP. Quantification analyses for metal content revealed that tubers from scab resistant YG8 and YG32 have 1.5 to 2 times higher iron content compared to YGP. In this project, we found the distribution of iron close to the periderm region of YG8 and YG32, lacking in YGP. In fact, YG8 and YG32 microtubers grown in the presence of S. scabiei accumulated more iron than those of YGP. S. scabiei may compete with microtubers for iron acquisition since siderophore synthesis gene expression was induced in the presence of scab resistant somaclones. Moreover, the previous results from proteomic analysis of YG8 and YG32 revealed the abundance of two ferritin proteins along with other abundant proteins in resistant somaclones as compared to YGP. Ferritins are iron storage proteins that play a role in preventing the high amounts of free iron to react with oxygen and controlling the production of excessive reactive oxygen species by iron sequestration and therefore, maintaining iron homeostasis. Plant ferritins have been found to play a role in plant-pathogen interactions in previous studies. We reported an increase in levels of ferritin (FER1) gene expression in minitubers obtained from these YG somaclones during infection suggesting its involvement in defense mechanisms against S. scabiei. Moreover, the addition of siderophore deferoxamine mesylate (DFOM) seemed to favor bacteria to acquire iron as susceptibility to common scab was restored in the presence of scab resistant YG32 somaclones. The increase in levels of FER1 expression in TA-habituated somaclone Kennebec 39 compared to the original cultivar Kennebec was also reported, suggesting that increased ferritin abundance may potentially contribute to resistance to common scab in other TA-habituated somaclones. Collectively, these results provided a better understanding of the involvement of iron and iron storage protein, ferritin, in possible defense response against pathogen S. scabiei.

La pomme de terre (Solanum tuberosum) est une plante agricole importante pour l’alimentation. Elle représente la quatrième plante alimentaire la plus cultivée au monde. Les tubercules de pomme de terre sont grandement affectés par une maladie, la gale commune, qui est causée par une bactérie Gram positif du sol appelée Streptomyces scabiei (syn. S. scabies). L’infection bactérienne produit des lésions profondes, surélevées, superficielles ou liégeuses en surface des tubercules, réduisant leur valeur marchande et causant des pertes économiques importantes. Parmi les différentes stratégies de lutte contre la maladie, le développement et la culture de cultivars plus résistants à la maladie apparaissent l’approche la plus efficace et économique. Différents travaux étudiant le mécanisme d’infection de S. scabiei ont montré qu’elle sécrète une phytotoxine appelée thaxtomine A (TA) qui est le principal facteur de pathogénicité puisque requise pour le développement des symptômes de la maladie. Le laboratoire de Nathalie Beaudoin a développé une nouvelle technique pour augmenter la résistance à la gale commune chez des cultivars de pomme de terre cultivés au Québec grâce à l’habituation de cellules somatiques à la thaxtomine A. Cette approche a permis de produire des somaclones du cultivar Yukon Gold (YGP), appelés somaclones YG8 et YG32, qui sont significativement plus résistants à la gale commune que le cultivar d’origine. Des analyses de quantification des métaux ont révélé que les tubercules des somaclones YG8 et YG32 contiennent 1,5 à 2 fois plus de fer que ceux de YGP. Dans ce projet, nous avons observé que le fer s’accumule de façon plus importante près du périderme des tubercules de YG8 et YG32 comparés à ceux de YGP. De plus, les microtubercules de YG8 et YG32 cultivés en présence de S. scabiei accumulent davantage de fer que ceux de YGP alors que l’expression de gènes de synthèse de sidérophore est induite chez S. scabiei, ce qui pourrait indiquer une compétition de la bactérie et des microtubercules des somaclones pour l’acquisition du fer. Une analyse protéomique réalisée précédemment a montré une plus grande abondance de deux ferritines chez les somaclones YG8 et YG32 par rapport à YGP. Les ferritines sont des protéines de stockage du fer qui jouent un rôle dans le maintien de l’homéostasie du fer. Elles contrôlent la production excessive d’espèces actives de l’oxygène en empêchant l’accumulation importante de fer libre qui pourrait réagir avec l’oxygène. Plusieurs études ont montré que les ferritines végétales peuvent également jouer un rôle dans les interactions plantes-agents pathogènes. Dans ce projet, nous avons observé une augmentation de l’expression du gène de ferritine (FER1) chez des minitubercules des somaclones YG8 et YG32 infectés par S. scabiei, ce qui suggère son implication dans la défense contre S. scabiei. De plus, le prétraitement des minitubercules du somaclone YG32 avec le sidérophore déferoxamine mesylate (DFOM) restaure la sensibilité des minitubercules de YG32 à S. scabiei, montrant que l’infection bactérienne est favorisée en présence de ce chélateur de fer. Enfin, nous avons également observé une augmentation de l’expression du gène FER1 chez un autre somaclone habitué à la TA, soit le somaclone Kennebec 39, qui est également plus résistant à la gale commune que le cultivar d’origine Kennebec. Ces données suggèrent qu’une plus grande accumulation de ferritine pourrait potentiellement contribuer à l’augmentation de la résistance à la gale commune chez d’autres somaclones habitués à la TA. Dans l’ensemble, ces résultats permettent une meilleure compréhension de l’implication possible du fer et de la ferritine dans la défense contre S. scabiei.