Sequence and functional analyses of native plasmids from plant pathogenic Gammaproteobacteria: comparative genomics, conjugative mobilization and fitness effects

• Autores: Miriam Urriza Leoz
• Directores de la Tesis: Jesús Murillo Martínez (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Pública de Navarra ( España ) en 2025
• Idioma: inglés
• Tribunal Calificador de la Tesis: Emilia López Solanilla (presid.), José A. Gutiérrez Barranquero (secret.), Jaime Cubero (voc.)
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Academica-e
• Resumen
  • español

    Los plásmidos nativos en bacterias patógenas de plantas (bacterias fitopatógenas) pertenecientes a la Clase Gammaproteobacteria desempeñan un papel crítico en la supervivencia, virulencia y adaptación a los agroecosistemas, aunque se conoce poco sobre su diversidad y funciones. Un análisis de genómica comparativa de 644 plásmidos completamente secuenciados de Enterobacterales (Dickeya, Erwinia, Pantoea y Pectobacterium), Pseudomonadales (complejo P. syringae) y Lysobacterales (Xanthomonas y Xylella) reveló que la densidad codificante es entre el 72% y 78%. En particular, P. syringae y Xanthomonas mostraron una elevada proporción de proteínas hipotéticas (~40%). La mayoría de los plásmidos contenían proteínas Rep derivadas de cinco replicones ancestrales, lo que sugiere una combinación de herencia vertical y transferencia horizontal entre diferentes taxones. Sin embargo, el 34.5% de los plásmidos carecía de proteínas Rep y el 17.9% eran plásmidos multirreplicón. Notablemente, el 75% de los plásmidos de P. syringae, Xanthomonas y Xylella eran movilizables, en contraste con el 27% de Enterobacterales. Los plásmidos de virulencia que portan efectores del sistema de secreción tipo III (T3SS) fueron abundantes en P. syringae y Xanthomonas, pero raros en otros taxones, mientras que los de resistencia a antibacterianos fueron menos prevalentes. Estos datos destacan una brecha importante en nuestro conocimiento sobre la genética y biología de los plásmidos de virulencia en Gammaproteobacteria fitopatógenas. Para contribuir al entendimiento de sus funciones biológicas básicas, examinamos la funcionalidad de los determinantes de conjugación de tres plásmidos de virulencia —pPsv48A (pA), pPsv48B (pB) y pPsv48C (pC)— de P. syringae pv. savastanoi NCPPB 3335, los cuales mostraron diferentes características de movilización. El plásmido pB, que contiene un sistema completo MPFT (anteriormente tipo IVA) y una relaxasa MOBP, fue altamente transferible, mientras que pC, que porta una región oriT-MOBP, mostró una transferencia moderada. Por su parte, pA presentó movilidad limitada, transfiriéndose solo ocasionalmente junto con pB. El estudio también identificó tres genes de relaxasa asociados a plásmidos y tres cromosómicos, siendo las relaxasas plasmídicas responsables de la transferencia. Curiosamente, pB fue transferido a cepas pertenecientes a seis filogrupos de P. syringae, mientras que pC solo se transfirió a cepas del filogrupo 3. Estos hallazgos resaltan la diversidad funcional y evolutiva de los plásmidos en fitopatógenas, revelando su papel esencial en la virulencia, la transferibilidad y el potencial para la transferencia horizontal de genes. Además, las bacterias que adquirieron los plásmidos pB y pC mostraron una disminución en la tasa de crecimiento y alteraciones en la virulencia en comparación con las cepas silvestres, lo que podría indicar un coste de fitness. Se evaluó el coste de fitness asociado a plásmidos nativos en cepas silvestres y se observó reducciones significativas a las 64 horas en las cepas silvestres. Las variaciones en la fitness bacteriana pueden diferir según el hospedador bacteriano, por lo que seleccionamos una cepa libre de plásmidos, P. viridiflava como receptor. Las cepas que adquirieron el plásmido presentaron una notable desventaja competitiva, aunque esto no siempre se correlaciona con una disminución en la tasa de crecimiento. Estos datos destacan la compleja interacción entre la adquisición de plásmidos y la fitness bacteriana, donde los rasgos mediados por plásmidos pueden conferir ventajas competitivas independientes de la dinámica de la tasa de crecimiento.

  • English

    Native plasmids in plant-pathogenic Gammaproteobacteria are critical for survival, virulence, and adaptation to agroecosystems, yet their diversity and roles remain poorly understood. A comparative genomic analysis of 644 fully sequenced plasmids from Enterobacterales (Dickeya, Erwinia, Pantoea and Pectobacterium), Pseudomonadales (P. syringae complex), and Lysobacterales (Xanthomonas and Xylella) revealed plasmids with coding densities of 72-78%, with P. syringae and Xanthomonas exhibiting a particularly high proportion of hypothetical proteins (~40%). The majority of plasmids contained Rep proteins from five ancestral replicons, indicating vertical inheritance and horizontal transfer capability across taxa. However, 34.5% of plasmids lacked Rep proteins, and up to 17.9% were multireplicon. Notably, 75% of plasmids in P. syringae, Xanthomonas, and Xylella were transferable, compared to 27% in Enterobacterales. Virulence plasmids carrying Type III secretion system (T3SS) effector genes were abundant in P. syringae and Xanthomonas, but rare in other taxa, whereas antibacterial resistance genes were less prevalent. These data underscore a relevant gap in our knowledge in the genetics and biology of virulence plasmids of plant pathogenic Gammaproteobacteria. To contribute to our understanding of their basic biological functions, we examined the functionality of the conjugation determinants of the three virulence plasmids —pPsv48A (pA), pPsv48B (pB), and pPsv48C (pC)— of P. syringae pv. savastanoi NCPPB 3335, which showed distinct mobilization characteristics. Plasmid pB, containing a complete MPFT (previously type IVA secretion system) and a MOBP relaxase, was highly transferable, while pC, carrying an oriT-MOBP region, demonstrated moderate transfer. pA showed limited mobility, only transferring occasionally with pB. The study also identified three plasmid-borne and three chromosomal relaxase genes, with the plasmid relaxases driving transfer. Interestingly, pB was transferable to strains from six phylogroups of P. syringae, while pC transferred only to strains from phylogroup 3. These findings highlight the functional and evolutionary diversity of plasmids in plant pathogens, revealing their essential roles in virulence, transferability, and the potential for horizontal gene transfer. Further, bacteria that acquired pB and pC exhibited a decrease in growth rate and alterations in virulence compared to wild-type strains, which could indicate a fitness cost. We evaluated the fitness cost associated to native plasmids in wild-type strains and observed significant fitness reductions at 64 hours for strains carrying native plasmids. Bacterial fitness variations can differ depending on the host bacterium, so we selected a plasmid-free P. viridiflava strain as a recipient. The strains that acquired the plasmid exhibited a notable competitive disadvantage, although this did not always correlate with a reduced growth rate. These data highlight the complex interplay between plasmid acquisition and bacterial fitness, where plasmid-mediated traits may confer competitive benefits independent of growth rate dynamics.