Understanding the role of cell wall barriers in resistance to bacterial wilt

Abstract

Les malalties de les plantes causades per patògens vasculars representen una amenaça important per a la seguretat alimentària global, causant pèrdues de cultius de milers de milions de dòlars anualment. Aquests patògens són particularment devastadors perquè eviten les defenses superficials i colonitzen el sistema de transport intern de la planta, propagant-se ràpidament per tota la planta. Els enfocaments tradicionals per dissenyar resistència a malalties s'han centrat en millorar les defenses superficials o introduir gens de resistència d'altres espècies. No obstant això, aquestes estratègies sovint fallen contra patògens vasculars que accedeixen directament als vasos de transport intern rics en nutrients. Els intents de dissenyar aquestes defenses artificialment s'han vist obstaculitzats per la complexitat de les vies bioquímiques subjacents i les penalitzacions de creixement associades amb mantenir constantment compostos defensius costosos. Aquesta investigació desenvolupa dos enfocaments complementaris que superen les limitacions actuals. La primera estratègia explota un principi fonamental: moltes vies defensives estan limitades no pels enzims que produeixen compostos protectors, sinó per la disponibilitat de les matèries primeres que requereixen. Identificant i subministrant aquests substrats limitants, es pot millorar dramàticament la producció de compostos defensius utilitzant la maquinària bioquímica existent de la planta. El segon enfocament desenvolupa interruptors genètics "intel·ligents" que activen respostes defensives només quan i on són necessàries. En lloc de produir constantment compostos defensius costosos, les plantes equipades amb aquests sistemes poden desplegar ràpidament defenses dirigides específicament en teixits sota atac. L'enfocament de limitació de substrat va revelar que subministrar a les plantes derivats específics d'aminoàcids pot desencadenar la producció de compostos especialitzats que s'integren a les parets cel·lulars, creant barreres que restringeixen efectivament el moviment de patògens. Les plantes tractades van mostrar càrregues de patògens dramàticament reduïdes i resistència comparable a varietats naturalment resistents. L'enfocament d'enginyeria de precisió va desenvolupar eines moleculars que activen respostes defensives específicament en teixits vasculars en detectar patògens. Aquesta activació dirigida va produir barreres protectores localitzades mentre evitava els costos de creixement associats amb l'activació defensiva de tot el sistema. Aquestes troballes estableixen dos nous paradigmes per millorar la resistència a malalties dels cultius. L'estratègia de suplementació de substrat ofereix aplicacions pràctiques immediates, ja que pot aplicar-se a varietats existents sense modificació genètica. Les eines d'enginyeria de precisió representen un enfocament sostenible per desenvolupar varietats millorades que mantenen alta productivitat mentre posseeixen capacitats defensives millorades. Els enfocaments desenvolupats tenen aplicabilitat àmplia més enllà del sistema específic estudiat. Els principis de limitació de substrat i activació de precisió són característiques fonamentals dels sistemes biològics, suggerint que estratègies similars podrien aplicar-se per abordar diversos desafiaments agrícoles. Mentre la seguretat alimentària global enfronta pressió creixent de patògens emergents i canvi climàtic, aquests enfocaments racionals per millorar la resistència de cultius es tornaran cada vegada més importants.

Las enfermedades de las plantas causadas por patógenos vasculares representan una amenaza importante para la seguridad alimentaria global, causando pérdidas de cultivos por miles de millones de dólares anualmente. Estos patógenos son particularmente devastadores porque evitan las defensas superficiales y colonizan el sistema de transporte interno de la planta, propagándose rápidamente por toda la planta. Los enfoques tradicionales para diseñar resistencia a enfermedades se han centrado en mejorar las defensas superficiales o introducir genes de resistencia de otras especies. Sin embargo, estas estrategias a menudo fallan contra patógenos vasculares que acceden directamente a los vasos de transporte interno ricos en nutrientes. Los intentos de diseñar estas defensas artificialmente se han visto obstaculizados por la complejidad de las vías bioquímicas subyacentes y las penalizaciones de crecimiento asociadas con mantener constantemente compuestos defensivos costosos. Esta investigación desarrolla dos enfoques complementarios que superan las limitaciones actuales. La primera estrategia explota un principio fundamental: muchas vías defensivas están limitadas no por las enzimas que producen compuestos protectores, sino por la disponibilidad de las materias primas que requieren. Al identificar y suministrar estos sustratos limitantes, se puede mejorar dramáticamente la producción de compuestos defensivos utilizando la maquinaria bioquímica existente de la planta. El segundo enfoque desarrolla interruptores genéticos "inteligentes" que activan respuestas defensivas solo cuando y donde son necesarias. En lugar de producir constantemente compuestos defensivos costosos, las plantas equipadas con estos sistemas pueden desplegar rápidamente defensas dirigidas específicamente en tejidos bajo ataque. El enfoque de limitación de sustrato reveló que suministrar a las plantas derivados específicos de aminoácidos puede desencadenar la producción de compuestos especializados que se integran en las paredes celulares, creando barreras que restringen efectivamente el movimiento de patógenos. Las plantas tratadas mostraron cargas de patógenos dramáticamente reducidas y resistencia comparable a variedades naturalmente resistentes. El enfoque de ingeniería de precisión desarrolló herramientas moleculares que activan respuestas defensivas específicamente en tejidos vasculares al detectar patógenos. Esta activación dirigida produjo barreras protectoras localizadas mientras evitaba los costos de crecimiento asociados con la activación defensiva de todo el sistema. Estos hallazgos establecen dos nuevos paradigmas para mejorar la resistencia a enfermedades de los cultivos. La estrategia de suplementación de sustrato ofrece aplicaciones prácticas inmediatas, ya que puede aplicarse a variedades existentes sin modificación genética. Las herramientas de ingeniería de precisión representan un enfoque sostenible para desarrollar variedades mejoradas que mantienen alta productividad mientras poseen capacidades defensivas mejoradas. Los enfoques desarrollados tienen aplicabilidad amplia más allá del sistema específico estudiado. Los principios de limitación de sustrato y activación de precisión son características fundamentales de los sistemas biológicos, sugiriendo que estrategias similares podrían aplicarse para abordar diversos desafíos agrícolas. Mientras la seguridad alimentaria global enfrenta presión creciente de patógenos emergentes y cambio climático, estos enfoques racionales para mejorar la resistencia de cultivos se volverán cada vez más importantes.

Plant diseases caused by vascular pathogens represent a major threat to global food security, causing billions of dollars in crop losses annually. These pathogens are particularly devastating because they bypass surface defenses and colonize the plant's internal transport system, spreading rapidly throughout the plant. This thesis develops innovative strategies to engineer enhanced cell wall barriers that can effectively restrict pathogen movement and multiplication within the vascular system. Traditional approaches to engineering disease resistance have focused on enhancing surface defenses or introducing resistance genes from other species. However, these strategies often fail against vascular pathogens that access the nutrient-rich internal transport vessels directly. While naturally resistant plants deploy sophisticated cell wall modifications to create physical barriers against invading pathogens, attempts to engineer these defenses artificially have been hampered by the complexity of the underlying biochemical pathways and the growth penalties associated with constantly maintaining expensive defensive compounds. This research develops two complementary approaches that overcome current limitations in engineering plant defenses. The first strategy exploits a fundamental principle of biochemistry: many defensive pathways are limited not by the enzymes that produce protective compounds, but by the availability of the raw materials these enzymes require. By identifying and supplying these limiting substrates, it becomes possible to dramatically enhance defensive compound production using the plant's existing biochemical machinery. The second approach addresses the problem of growth penalties by developing "smart" genetic switches that activate defensive responses only when and where they are needed. Instead of constantly producing expensive defensive compounds, plants equipped with these systems can rapidly deploy targeted defenses specifically in tissues under pathogen attack. The substrate limitation approach revealed that supplying plants with specific amino acid derivatives can trigger the production of specialized compounds that integrate into cell walls, creating barriers that effectively restrict pathogen movement. Treated plants showed dramatically reduced pathogen loads and enhanced disease resistance comparable to naturally resistant varieties, demonstrating that strategic metabolic supplementation can be as effective as genetic resistance. The precision engineering approach successfully developed molecular tools that activate defensive responses specifically in vascular tissues upon pathogen detection. This targeted activation produced localized protective barriers similar to those found in naturally resistant plants while avoiding the growth costs associated with system-wide defense activation. Complementary pharmacological treatments that manipulate cellular metabolism also enhanced protective barrier formation and significantly improved disease resistance. These findings establish two powerful new paradigms for enhancing crop disease resistance. The substrate supplementation strategy offers immediate practical applications, as it can be applied to existing crop varieties without genetic modification, potentially providing rapid solutions for disease management in agricultural systems. The precision engineering tools represent a sustainable approach for developing improved crop varieties that maintain high productivity while possessing enhanced defensive capabilities. The research demonstrates that effective disease resistance engineering requires understanding both the biochemical mechanisms underlying plant defense and the ecological constraints that shape how these defenses operate in nature. By working with, rather than against, these natural principles, it becomes possible to develop enhanced defenses that are both effective and sustainable. The approaches developed here have broad applicability beyond the specific plant-pathogen system studied. The principles of substrate limitation and precision activation are fundamental features of biological systems, suggesting that similar strategies could be applied to address diverse agricultural challenges. As global food security faces increasing pressure from emerging pathogens and climate change, such rational approaches to enhancing crop resilience will become increasingly important for maintaining stable food production systems. This work bridges fundamental plant biology and practical agricultural applications, demonstrating how deep mechanistic understanding can be translated into effective solutions for real-world problems threatening global food security.