Common bacterial blight of common bean: insights into host resistance and bacterial virulence mechanisms

Abstract

Common Bacterial Blight (CBB), induced by the Gram-negative bacteria Xanthomonas phaseoli pv. phaseoli (Xpp) and Xanthomonas citri pv. fuscans (Xcf) is a substantial menace to common bean production worldwide. To contribute to unveiling the molecular mechanisms of host resistance and bacterial virulence subjacent to the interaction between common bean with Xanthomonas, in this study, first (Chapter 1) 80 common bean cultivars of the carioca and black groups were classified based on their resistance upon inoculation with a Xpp strain. The disease was assessed based on symptom severity and the Area Under Disease Progress Curve (AUDPC). The cultivars were subsequently grouped into four resistance/susceptibility categories according to their disease severity values. Three carioca and three black bean cultivars exhibited the lowest disease severity and AUDPC values and were classified as highly resistant to Xpp. A positive correlation between AUDPC and disease severity was observed. Following this classification, an exploratory Genome-Wide Association Study (GWAS) was undertaken using 384 Single Nucleotide Polymorphism (SNP) markers and data on disease severity from the same set of 80 cultivars. Five SNPs significantly associated with resistance were found on three different common bean chromosomes. These SNPs are within genes coding for a range of potential biochemical functions, including a light-regulated Lir1 protein, a proton-dependent oligopeptide transporter family protein, a metallo-dependent phosphatase-like protein, a WPP domain-interacting tail-anchored protein 2, and a pectin lyase-like superfamily protein. In the second phase (Chapter 2), aiming to explore the bacterial virulence mechanisms, 35 genome sequences of Xcf and 36 genome sequences of Xpp were utilized in pangenomic analyses and dendrogram constructions using gene presence/absence. The pangenomic analyses revealed significant genomic diversity and plasticity for both pathovars. The dendrograms did not indicate an evident clustering by geographic origin. Additionally, Xcf and Xpp genes activated by HrpG and HrpX were predicted bioinformatically searching for hrp box sequences within the promoter regions in their genomes. A total of 51 HrpG- and HrpX-dependent genes were found in Xcf and 49 genes in Xpp. Furthermore, to identify Type III Secreted Effectors (T3SEs), Blastp searches of all annotated proteins from the Xpp and Xcf genomes were conducted against databases of known Xanthomonas and Pseudomonas T3SEs. These searches led to the identification of 39 T3SEs, with the effector XopAL2 found exclusively in Xcf, six effectors were unique to Xpp, and seven effectors were shared with phytopathogenic Pseudomonas. This study brings significant contributions to the scientific community. It offers insights into common bean genotypes displaying high levels of resistance to Xpp, identifies candidate genes potentially associated with common bean resistance to Xpp, and sheds light on the mechanisms that Xanthomonas species might employ to cause disease in common bean plants. Keywords: Xanthomonas citri pv. fuscans. Xanthomonas phaseoli pv. phaseoli. Phaseolus vulgaris

O Crestamento Bacteriano Comum (CBC), causado pelas bactérias Gram-negativas Xanthomonas phaseoli pv. phaseoli (Xpp) e Xanthomonas citri pv. fuscans (Xcf), representa uma ameaça significativa para a produção de feijão comum no mundo. Para contribuir a desvendar os mecanismos moleculares da resistência do hospedeiro e da virulência bacteriana subjacentes à interação entre o feijão comum e Xanthomonas, neste estudo, primeiro (Capítulo 1) 80 cultivares de feijão comum dos grupos carioca e preto foram classificadas com base na sua resistência após inoculação com uma estirpe de Xpp. A doença foi avaliada com base na severidade dos sintomas e a Área Abaixo da Curva de Progresso da Doença (AACPD). Posteriormente, as cultivares foram agrupadas em quatro categorias de resistência/suscetibilidade segundo os valores de severidade da doença. Três cultivares do grupo carioca e três do grupo preto apresentaram os valores mais baixos de severidade da doença e AACPD, e foram classificados como altamente resistentes a Xpp. Após essa classificação, foi realizado um Estudo de Associação Genômica Ampla (Genome-Wide Association Study, GWAS) exploratório usando 384 marcadores de Polimorfismos de Nucleotídeo Único (Single-Nucleotide Polymorphism, SNP) e os dados de severidade da doença da mesma coleção de 80 cultivares. Cinco SNPs significativamente associados com a resistência foram encontrados em três cromossomos diferentes de feijoeiro comum. Esses SNPs se encontram em genes que codificam para funções bioquímicas potenciais, incluindo uma proteína Lir1 regulada pela luz, uma proteína da família de transportadores de oligopeptídeos dependentes de prótons, uma fosfatase dependente de metal, uma proteína WPP que interage com o domínio de ancoragem da cauda e uma proteína da superfamília das pectinas liases. Na segunda fase (Capítulo 2), visando explorar os mecanismos de virulência bacteriana, 35 sequências genômicas de Xcf e 36 sequências genômicas de Xpp foram utilizadas em análises de pangenômica e construção de dendrogramas usando presencia/ausência de genes. A análise de pangenômica revelou uma significativa diversidade e plasticidade genômica em ambos os patovares. Os dendrogramas não indicaram um agrupamento evidente dos isolados segundo a sua origem geográfica. Além disso, genes ativados por HrpG e HrpX nos genomas de Xpp e Xcf foram preditos por meio de bioinformática, buscando sequências de caixas hrp em regiões promotoras. No total, 51 genes dependentes de HrpG e HrpX em Xcf e 49 genes em Xpp foram preditos. Além disso, para identificar efetores secretados pelo sistema de secreção do tipo III (Type III secretion Effectors, T3SEs), buscas Blastp de todas as proteínas anotadas nos genomas de Xpp e Xcf foram conduzidas contra os bancos de dados de efetores conhecidos de Xanthomonas e Pseudomonas. Essas buscas resultaram na identificação de um total de 39 T3SEs, sendo que o efetor XopAL2 foi encontrado exclusivamente em Xcf, seis efetores foram exclusivos de Xpp e sete efetores foram compartilhados com Pseudomonas. Este estudo oferece contribuições significativas à comunidade científica, fornecendo informações sobre genótipos de feijão comum com altos níveis de resistência a Xpp, genes candidatos potencialmente associados à resposta de resistência do feijão comum a Xpp e sobre os possíveis mecanismos que as espécies de Xanthomonas podem empregar para causar doença em plantas de feijão comum. Palavras-chave: Xanthomonas citri pv. fuscans. Xanthomonas phaseoli pv. phaseoli. Phaseolus vulgaris.