Revista Methodo: Investigación Aplicada a las Ciencias Biológicas. Universidad Católica de Córdoba.
Jacinto Ríos 571 Gral. Paz. X5004FXS. Córdoba. Argentina. Tel.: (54) 351 4517299 / Correo:
methodo@ucc.edu.ar /Web: methodo.ucc.edu.ar | ARTICULO ORIGINAL Rev. Methodo 2021;6(4):155-161.
ARTICULO ORIGINAL Rev. Methodo 2021;6(4):155-161
https://doi.org/10.22529/me.2021.6(4)02
Recibido 04 Jun. 2021| Aceptado 08 Jul. 2021 | Publicado 05 Oct. 2021
Identificación y expresión del efector central fúngico Pep1 en
Thecaphora frezii
Identification and expression of the fungal central effector
Pep1 in Thecaphora frezii
Néstor Walter Soria
1
, Pablo Yang
1
, María Soledad Díaz
2
, Ana Cristina Figueroa
2
, Valeria
Roxana Alasino
2,3
, Dante Miguel Beltramo
1,2,3
.
1 Universidad Católica de Córdoba, Facultad de Ciencias Químicas, Cátedra de Biotecnología, Unidad Asociada al CONICET: Área de Cs. Agrarias, Ingeniería,
Cs. Biológicas.
2 Centro de Excelencia en Productos y Procesos de Córdoba CEPROCOR
3 CONICET
Correspondencia: Néstor Walter Soria, e-mail: nestorwsoria@gmail.com
Resumen
Thecaphora frezii es un hongo fitopatógeno perteneciente a la clase Ustilaginomicetes, que produce la
enfermedad del carbón de maní. En su ciclo biológico presenta tres estructuras, las teliosporas (es la
estructura de resistencia) y las basidiosporas e hifas. El micelio (hifas) es la estructura infectiva, que penetra
en el ginóforo de la planta e inicia la infección. Para dicha acción, sería necesaria la expresión de la proteína
Pep1 ya que la misma fue identificada en otros Ustilaginomicetes como el Ustilago maydis y el Ustilago
hordei, que infectan al maíz y a la cebada, respectivamente, y su expresión es fundamental para dicha
acción.
Pudimos amplificar el ADN copia de Pep1 de Thecaphora frezii cuya secuencia traducida codificaría para
una proteína de 180 aminoácidos. Se observaron grandes homologías con ortólogas de otras especies y la
presencia de cuatro cisteínas conservadas. Paralelamente, medimos los niveles de expresión de este
transcripto, encontrándose muy elevado en las hifas, coincidiendo con el estadio infectivo del hongo.
Futuros estudios funcionales de inactivación génica del gen pep1 deberán realizarse para comprobar
fenotípicamente el efecto que este gen provoca en cultivos de maní.
Palabras claves: Thecaphora frezii; Pep1; maní; infección
Abstract
Thecaphora frezii is a phytopathogenic fungus belonging to the Ustilaginomycetes class, which causes the
peanut smut disease. In its biological cycle it has three structures, teliospores (is the resistance structure),
basidiospores and hyphae. The mycelium (hyphae) is the infective structure, which penetrates the plant's
gynophore and initiates the infection. For this action, the expression of the Pep1 protein would be necessary
since it was identified in other Ustilaginomycetes such as Ustilago maydis and Ustilago hordei, which infect
corn and barley, respectively, and its expression is essential for this action.
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fúngico Pep1 en Thecaphora frezii.
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We were able to amplify the Pep1 DNAc of Thecaphora frezii whose translated sequence would code for
a 180 amino acid protein. Great homologies with orthologous of other species and the presence of four
conserved cysteines were observed. In parallel, we measured the expression levels of this transcript, being
higher in the hyphae, coinciding with the infective stage of the fungus.
Future functional studies of gene inactivation of the pep1 gene should be carried out to phenotypically
verify the effect that this gene causes in peanut crops.
KeyWords: Thecaphora frezii; Pep1; peanut; infection.
Introducción
El maní (Arachis hypogaea L.) es uno de los
cultivos leguminosos más importante del mundo,
nativo de Sudamérica, distribuido en Brasil,
Paraguay, Bolivia, Argentina y Uruguay
1
. De los
49.171 millones de toneladas estimadas
mundialmente para la cosecha 2021, se observa
que China, India, Nigeria, EEUU y Argentina se
constituyen en los cinco principales productores,
con el 37%, 12%, 9%, 6% y 3% de la producción
mundial respectivamente
2
. Durante el ciclo de
cultivo, el maní es atacado frecuentemente por
enfermedades de origen fúngico especialmente
algunas que se desarrollan en el suelo durante la
etapa de formación del fruto, durante la cosecha y
en las fases de secado y almacenamiento del
grano
3,4
. Uno de los causantes es el hongo
Thecaphora frezii (T. frezii)
5
.
El carbón del maní, enfermedad causada por T.
frezii, un hongo biótrofo, produce numerosas
pérdidas anuales, teniendo mayor incidencia en la
zona sur de la provincia de Córdoba. El mismo, fue
detectado por primera vez en la campaña 1994/95,
mientras que su prevalencia, incidencia y
severidad se ha ido incrementando en los últimos
10 años, expandiéndose, además, a otras
provincias
6
.
Ustilago maydis (U. maydis) se considera un
modelo fúngico importante que ha sido
ampliamente utilizado en estudios biológicos y
genéticos
7
y se ha considerado como un hongo de
gran importancia para el estudio del desarrollo
dimórfico y de interacción planta-patógeno. La
relación entre T. frezii y U. maydis, es que este
último hongo también pertenece a la clase de
Ustilagomicetes y genera carbón en las plantas de
maíz.
Se acepta que la mayoría de los genes de
avirulencia fúngica codifican factores de
virulencia que se llaman efectores. La mayoría de
los efectores fúngicos se secretan, siendo proteínas
ricas en cisteína, y ha sido demostrado un papel en
la virulencia de algunos de ellos
8
. U. maydis
expresa un efector llamado Pep1 (Protein essential
during penetration 1)
9
. El gen pep1 está
específicamente expresado durante el desarrollo
del patógeno U. maydis
9
. En este hongo, variantes
mutantes delecionadas del gen pep1 formaban
estructuras de penetración normales pero la
infección se detenía inmediatamente después de la
penetración epidérmica. Además, se encontró que
Pep1 se localiza en el apoplasto de la planta donde
se acumula particularmente en sitios de pasajes de
célula a célula de hifas biotróficas de U. maydis
9
.
Pep1 no solo es esencial para la virulencia de U.
maydis sino también para el hongo relacionado con
el carbón de cebada, Ustilago hordei (U. hordei),
que indica una función conservada de Pep1 en
otros biótrofos fúngicos además de U. maydis
9
.
Objetivo
El objetivo de este trabajo fue comenzar a
identificar y caracterizar a la proteína Pep1, cuya
actividad sería fundamental para la infección por
parte de T. frezii sobre las plantas de maní.
Material y métodos
Aislamiento y cultivo de Thecaphora frezii
Las teliosporas T. frezii fueron obtenidas de cajas
de maní que presentaban síntomas de enfermedad
(hipertrofia) y descontaminadas superficialmente
con etanol. Las teliosporas se desinfectaron con
hipoclorito de sodio 5% durante 5 min y se lavaron
3 veces con agua destilada estéril durante 10
minutos. Las hifas fueron obtenidas por
germinación de las teliosporas en medio PDA
(Potato Dextrose Agar). Las basidiosporas se
obtuvieron a partir de las hifas crecidas en medio
sólido, las cuales se sembraron en agar agua (1,5
% agar-agar). Se corroboró la formación de dichas
estructuras mediante microscopía óptica.
Aislamiento de ARN y síntesis de ADNc
El ARN total de los tres estadios de T. frezii (se
combinaron tres cultivos independientes para cada
etapa) se extrajo usando TRIzol (Invitrogen, EE.
UU.) siguiendo las recomendaciones del
fabricante. El ADNg se eliminó mediante
digestión en columna con ADNasa (Qiagen) al
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doble de la concentración recomendada por el
fabricante. Se controló la posible degradación y
contaminación del ARN en un gel de agarosa al
1,5% (p/v) y se confirmó la pureza del ARN
usando el espectrofotómetro NanoPhotometer
(IMPLEN, CA, EE. UU.). La concentración de
ARN se midió con el kit de ensayo de ARN Qubit
y el fluorómetro Qubit 2.0 (Life Technologies, CA,
EE. UU.).
La síntesis de la primera hebra de ADNc se realizó
con 1 μL de Oligo-(dT)20 (50 μM) (Invitrogen), 1
μg de ARN total y 400 U de SuperScript III RT
(transcriptasa inversa, Invitrogen) en un volumen
de reacción de 20 μL incubado a 55ºC durante 1 h.
Amplificación y secuenciamiento del
ADNc de pep1
La amplificación rápida de los extremos del ADNc
5 'y 3' (5’-RACE y 3′-RACE) se realizó utilizando
el kit comercial GeneRacer (Invitrogen) según las
indicaciones del fabricante. Las secuencias de los
oligonucleótidos fueron: 5-RACE-GSP1 5’
AYRCAVGTYTGSGGNAG 3’; 5’-RACE-GSP2
5’ TTGTTKKCKVDRTCGTA 3’; 5’-RACE-
GSP3 5’ CYTGRDVBKYGCAGT 3’; 3’-RACE-
GSP1 5’ TACGAYHBMGMMAACAA 3’; 3’-
RACE-GSP2 5’ CTNCCSCARACBTGYRT 3’.
Después de la electroforesis de los productos de
PCR, se cortaron dos bandas correspondientes al
tamaño esperado de aproximadamente 280 pb (5’-
RACE) y 260 pb (3’-RACE) del gel de agarosa y
se purificaron usando el kit de purificación de PCR
QIAquick (QIAGEN, Hilden, Alemania). A
continuación, los productos de PCR se
secuenciaron en un secuenciador de ADN
automatizado ABI 3130XL (Applied Biosystems,
Foster City, CA, EE. UU.).
Análisis de la secuencia del ADNc de
pep1
La secuencia del ADNc de pep1 de T. frezii se
comparó con las de otros hongos depositados en
GenBank utilizando las herramientas “BLAST-N”
o “BLAST-X” disponibles en el sitio web del
Centro Nacional de Información Biotecnológica
(NCBI). La secuencia de aminoácidos de Pep1 de
T. frezii se dedujo del ADNc correspondiente
utilizando la herramienta de traducción del sitio
web ExPASy Proteomics
(https://web.expasy.org/translate/). La presencia
de péptido señal fue detectada usando el predictor
SignalP-5.0 Server
(http://www.cbs.dtu.dk/services/SignalP/). La
predicción de efector fúngico en secreciones se
realizó a través del programa EffectorP, que ha
sido diseñado para distinguir proteínas secretadas
de efectores secretados en hongos patógenos de
plantas (http://effectorp.csiro.au/).
Comparación de secuencias y relación
filogenética
Las secuencias de aminoácidos completas se
alinearon utilizando el programa Clustal W
(https://www.ebi.ac.uk/Tools/msa/clustalo/). Las
secuencias de Pep1 utilizadas para la comparación
fueron de las siguientes especies (número de
acceso de GenBank entre paréntesis):
Anthracocystis flocculosa (A. flocculosa) PF-1
(XP_007878051.1), U. maydis 521
(XP_011387901.1), U. hordei (XP_041411115.1)
y Kalmanozyma brasiliensis (K. brasiliensis)
(XP_016292919.1). Para deducir la secuencia de
Pep1 de Thecaphora thlaspeos (T. thlaspeos) fue
necesario utilizar los programas tBLASTn
(https://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi?PROGR
AM=tblastn&PAGE_TYPE=BlastSearch&LINK
_LOC=blasthome) y http://bioinf.uni-
greifswald.de/augustus/submission.php
(UWYS01000010.1). El análisis filogenético fue
realizado utilizando las condiciones por defecto
del software disponible en
http://www.phylogeny.fr/simple_phylogeny.cgi.
Cuantificación de los transcriptos de
pep1 de acuerdo al estadio de T. frezii
Se realizó la cuantificación de la expresión génica
de pep1 en los tres estadios de T. frezii a través del
sistema de detección de PCR en tiempo real
StepOne Plus Real-Time PCR system®
(ThermoFisher, Massachusetts, EE. UU.). Los
oligonucleótidos se diseñaron utilizando el
programa accesible en la página de GenScript®
(https://www.genscript.com/tools/real-time-pcr-
taqman-primer-design-tool) (Tabla 1).
El ADNc se preparó a partir de las mismas
muestras de ARNs utilizadas para el análisis de 5-
RACE y 3’-RACE.
La expresión génica relativa se realizó usando el
transcripto de actina como gen de referencia para
la normalización de la expresión. La especificidad
de los amplicones se verificó mediante el análisis
de las curvas de fusión y mediante el
secuenciamiento de los fragmentos obtenidos. El
cambio de expresión en el gen pep1, en relación
con la expresión de actina se calculó utilizando el
método 2
-CT 10
. La media y DS (±), fueron
entonces calculadas para cada una de las diferentes
muestras. Los datos fueron analizados con el test
de Student para establecer las diferencias
significativas.
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Tabla 1. Secuencias de oligonucleótidos usadas en la
Real Time PCR
Resultados
Características de la secuencia de pep1
A partir del ADNc de T. frezii se logró amplificar
un fragmento de 543 pb correspondientes a la
totalidad del transcripto del gen pep1. La secuencia
fue registrada en GenBank bajo el código
MZ337396 y codificaría para una proteína de 180
aminoácidos, compatible con los tamaños
observados en otras proteínas ortólogas.
Paralelamente se analizó en la secuencia proteica
predicha la posible presencia de un péptido señal a
través del predictor SignalP-5.0, el cual arrojó una
probabilidad del 0,9062 de presencia del mismo.
Además, para evaluar la posibilidad de que la
proteína deducida pudiera actuar como efector, la
analizamos mediante el programa EffectorP,
asignando una probabilidad del 0,667; 0,802;
0,555 y 0,682 de presentar esa función para T.
frezii; U. maydis; U. hordei y para T. thlaspeos,
respectivamente.
Alineamientos de secuencias Pep1 y
relación filogenética
Para estos análisis, se alinearon las secuencias de
proteínas ortólogas de Pep1 de hongos
filogenéticamente próximos a T. frezii. Para ello se
compararon las secuencias de Pep1 de U. maydis
521, U. hordei, K. brasiliensis, T. thlaspeos y A.
flocculosa PF1 (Figura 1A y Tabla 2). Se
consideró que las proteínas eran homólogas si
compartían un 25% o más de identidad con una
longitud de alineación mayor a 80 aminoácidos
11
.
En la Figura 1B observamos la estructura de la
proteína Pep1 de T. frezii, con su péptido señal y
sus 4 cisteínas conservadas.
A
B
MVPRFVWPLRLLALPLVLILLLTYHPTVSSIPSRHPSTPALVRRKAPDQPPLAITMFWFNNQQKAI
CYDLTARVKSVTGYTDCDFQDDYDSANNSYFLPQTCVLIAPLSEALFNILSEACRKVGTLGEMD
VKGNTPSTPITPGNPGLGGMPGTNPYAQSGNPGLGGLPGYNPGVQPSSGM
Figura 1. A: Alineamiento de secuencias de Pep1 de T. frezii, T. thlaspeos, A. flocculosa PF1, U. maydis 521, U.
hordei y K. brasiliensis. En rectángulos se señalan las cuatro cisteínas conservadas. *, identidad de secuencia en todo
el conjunto de la alineación; :, una sola discrepancia en el conjunto de la alineación;., dos discrepancias en la
alineación. Las secuencias subrayadas corresponden a los péptidos señales. B: Secuencia completa de la proteína
Pep1 de T. frezii señalando al péptido señal (subrayado) y a las 4 cisteínas conservadas (en negritas y sombreadas).
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Tabla 2. Porcentaje de identidad y homología a nivel proteico de las distintas Pep1 de hongos fitopatogénicos
(excepto A. flocculosa) respecto Thecaphora frezii
Hongo
n° de aminoácidos deducidos
Identidad (%)
Homología
(%)
Thecaphora frezii
180
100
100
Anthracocystis flocculosa
PF1
161
47
63
Thecaphora thlaspeos
142
44
62
Ustilago maydis 521
178
44
65
Ustilago hordei
175
34
48
Kalmanozyma brasiliensis
181
42
61
Una posible relación evolutiva entre los hongos alineados anteriormente pudo observarse a través de la
construcción de un árbol filogenético basados en las secuencias proteicas de Pep1 (Figura 2).
Figura 2. Árbol filogenético de Pep1 construido en base a T. frezii, U. maydis 521, U. hordei, K. brasiliensis, T.
thlaspeos y A. flocculosa PF1.
Análisis de la expresión de pep1
Los niveles de expresión del ARNm de pep1
fueron cuantificados mediante PCR en Tiempo
Real en los tres estadios del T. frezii, es decir,
teliosporas, basidiosporas e hifas.
Coincidentemente con lo esperado, los niveles del
transcripto de pep1 fueron más elevados en las
hifas y basidiosporas, respecto a lo que sucede en
teliosporas (Figura 3). Se calcularon las medias,
desviaciones standart y el valor de p mediante el
test de Student. La diferencia de expresión no fue
significativa cuando se compararon los niveles
presentes en las basidiosporas vs. hifas (p > 0,05),
mientras que la diferencia fue significativa entre
basidiosporas vs. teliosporas e hifas vs. teliosporas
(p < 0,001).
Figura 3. Niveles de expresión del ARNm de pep1 en
los tres estadios de T. frezii. La media y DS (±), fueron
calculadas para cada una de las diferentes muestras.
Discusión y Conclusiones
Uno de los microorganismos que infecta a los
cultivos del maní es el hongo T. frezii. Esta
afección, llamada carbón del maní, produce
enormes pérdidas en estos cultivares.
Para que muchos hongos sean fitopatogénicos es
necesario la expresión de efectores que
desencadenan el proceso infeccioso
12
, siendo uno
de ellos la Pep1 (Protein essential during
penetration 1)
9
.
Uno de los hongos que presenta varias
características comunes con T. frezii es el hongo U.
maydis, que además de ser usado como modelo de
estudio de muchas características de hongos
fitopatogénicos, causa la enfermedad del carbón
del maíz, expresa el gen pep1
9
y pertenece a la
misma clase de hongos que T. frezii
13
.
En este trabajo nos propusimos caracterizar al
menos de manera parcial a la proteína Pep1 de T.
frezii.
A partir de la obtención del ADNc de pep1,
procedimos a la secuenciación del mismo y a la
deducción de la secuencia aminoacídica
correspondiente. Los análisis de esta secuencia
mostraron la posible presencia de un péptido señal,
el cual se encuentra presente en todos los
efectores
8
. Además, realizando un análisis de
homología con ortólogos de Pep1 de hongos
próximos filogenéticamente con T. frezii, pudimos
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encontrar ciertas regiones conservadas,
particularmente la presencia de cuatro cisteínas
que ya se ha demostrado que son esenciales para la
función Pep1
14
. Esta estructura proteica también se
encuentra presente en hongos que afectan a plantas
monocotiledóneas como dicotiledóneas, entre
otros, Sporisorium reilianum; Sporisorium
scitamineum; Ustilago avenae; Ustilago nuda y
Melanopsichium pennsylvanicum
14
.
Otro aspecto importante que encontramos es que la
presencia del transcripto de pep1 está altamente
expresado en estructuras del hongo como son las
basidiosporas e hifas, estando estas últimas
estructuras asociadas al estadio infectivo del
hongo
15
.
Los aportes descriptos en el presente trabajo,
pueden ser el puntapié inicial para comenzar a
identificar factores que están involucrados en el
proceso infeccioso de T. frezii que lleva a la
enfermedad del carbón del maní y a las
consecuentes pérdidas económicas.
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