The root-lesion nematode Pratylenchus penetrans parasitizing potato: transcriptional changes in cultivars with different susceptibility levels

Abstract

Plant parasitic nematodes (PPN) are a major problem for crops on a global scale, in particular root-lesion nematodes, Pratylenchus spp., which are among the most important PPN groups in terms of economic impact. With the increase on population growth rates, and food demand, potato (Solanum tuberosum) became one of the most important staple food crops. When potato crops are associated with P. penetrans, production can be reduced by 30-70%. Control methods for this nematode are currently limited, as chemical nematicides present risks to humans, and cultural methods can be ineffective. In this way, it is necessary to understand better the nematode parasitism and the interactions between the nematode and potato plants. This study was focused on assessing the transcriptional changes of P. penetrans infection in potato, by evaluating how the nematode reacts to the defensive barriers of cultivars with different levels of susceptibility. Transcriptomic analyses were conducted to identify nematode genes differentially expressed in the potato cultivars Agria (more susceptible) and Laura (less susceptible) infected with P. penetrans, to elucidate the infection mechanisms of this nematode. Upregulation of genes with functions possibly associated with the nematode’s defences against the host, such as genes related to annexin (g21187), heat shock proteins, S-phase kinase-associated proteins (g16635 and g14386) and cathepsin (g17367), and genes related with the invasion processes, such as movement-related genes (g16613 and g11512) were identified in P. penetrans infecting cv. Agria, at three days after nematode inoculation (3 DAI). In nematodes infecting potato cv. Laura at 3 DAI, genes associated with the response to the defences of the host were evident. The enriched gene ontology terms identified were mostly related to defence against oxidative stress, transthyretin-like proteins (g8959 and g20989) and glutathione S-transferase (g21930). At 30 DAI, differences in nematode penetration were notorious, with cv. Agria harbouring more nematodes inside roots. However, in RT-qPCR results, differences in the relative expression of P. penetrans genes selected based on transcriptomic analyses, were not significantly different between cultivars, nor between the time points tested, with the exception of a gene related to reactive oxygen species detoxification (g20989), which was more expressed in P. penetrans infecting cv. Laura. The information obtained in this study allows us to better understand the interactions between P. penetrans and potato plants.

Os nemátodes parasitas de plantas (NPP) são um grande problema para as culturas a nível mundial, em particular os nemátodes-das-lesões-radiculares, Pratylenchus spp., estão entre os grupos de NPP mais importantes em termos económicos. Com o aumento da população e com a crescente procura de alimentos, a batata (Solanum tuberosum) tornou-se uma das culturas alimentares básicas mais importantes. Quando esta cultura é parasitada por P. penetrans, a produção pode ser reduzida em 30-70%. Atualmente, os métodos para controlo deste nemátode são limitados, uma vez que os nematodicidas químicos apresentam riscos para o ser humano e os métodos culturais podem ser ineficazes. Desta forma, é necessário conhecer melhor as interações entre P. penetrans e a batateira. Este estudo focou-se na avaliação das alterações transcricionais da infeção por P. penetrans em batateiras, através da avaliação de como o nemátode reage às barreiras de defesa, em cultivares com diferentes níveis de suscetibilidade. Foram realizadas análises transcritómicas para identificar genes do nemátode diferencialmente expressos nos cultivares de batata Agria (mais suscetível) e Laura (menos suscetível) infetados por P. penetrans, de forma a elucidar sobre os seus mecanismos de infeção. Três dias após a inoculação do nemátode (3DAI), foram identificados genes sobre expressos com funções possivelmente associadas às defesas do nemátode contra o hospedeiro, tais como genes relacionados com a anexina (g21187), proteínas de choque térmico, proteínas quinase associadas à fase S (g16635 e g14386) e catepsina (g17367), e genes relacionados com processos de invasão, como genes relacionados com o movimento (g16613 e g11512), em P. penetrans aquando da infeção do cv. Agria. Nos nemátodes que infetaram o cv. Laura aos 3 DAI, os genes associados à resposta das defesas do hospedeiro foram evidentes. Os termos com enriquecimento em gene ontology identificados nos nemátodes que parasitavam o cv. Laura, encontram-se relacionados com a defesa contra o stress oxidativo, proteínas semelhantes à transtirretina (g8959 e g20989) e glutationa S-transferase (g21930). Aos 30 DAI, as diferenças na penetração do nemátode foram evidentes, com o cv. Agria alojando mais nemátodes no interior das raízes. Contudo, nos resultados de RT-qPCR, as diferenças na expressão de genes de P. penetrans, selecionados com base na análise transcritómica não foram significativamente diferentes entre os dois cultivares, nem entre os pontos temporais testados, à exceção de um gene relacionado com a desintoxicação de espécies reativas de oxigénio (g20989), cuja expressão era maior em nemátodes que infetaram o cv. Laura. A informação obtida neste estudo permite compreender melhor as interações entre P. penetrans e a batateira.