Histopathological and Molecular insights into the soybean - Aphelenchoides pseudobesseyi interaction

Abstract

Aphelenchoides pseudobesseyi is considered one of the most harmful plant-parasitic nematodes affecting soybean crops in the north-central region of Brazil. Infected plants commonly exhibit apical necrosis, angular leaf lesions, leaf curling, and a characteristic dark-green tissue coloration, indicative of a stay-green phenotype characterized by delayed senescence. These symptoms severely compromise plant development and hinder mechanical harvesting, underscoring the agronomic importance of this pathogen. However, available information on its interaction with soybean, as well as on the genes and effectors involved in this process, remains limited or even unknown. Therefore, the objectives of this study were: (i) to determine whether A. pseudobesseyi migrates systemically from roots to aerial parts of soybean and to characterize the associated cellular damage, (ii) to characterize the transcriptional profile of soybean plants infected with A. pseudobesseyi and (iii) to identify and annotate specific genes and effectors of A. pseudobesseyi involved in its interaction with soybean, as well as to explore genes and effectors unique to the Aphelenchoides besseyi complex. Histopathological analyses indicated that A. pseudobesseyi migrates externally throughout the plant, as no nematodes were observed in the analyzed tissues (roots, epicotyl and hypocotyl), nor were any cellular alterations associated with their presence detected. Transcriptional analysis of the host plant revealed induction of defense pathways and repression of processes related to photosynthesis and cell growth. Changes in the expression of key genes related to chlorophyll degradation and carbohydrate transport were observed, including members of the stay-green family (D1, D2, SGR3a, SGR3b, and two SGRL isoforms: SGRL1 and SGRL2), as well as red chlorophyll catabolite reductase (RCCR), two pheophytinase isoforms (PPH1 and PPH2), and sucrose-phosphate synthase 2 (SPS2). These results indicate that A. pseudobesseyi infection compromises the flux of assimilates due to nematode feeding and interferes with senescence mechanisms, which may contribute to the manifestation of the stay- green phenotype in infected plants. Regarding the nematode, a set of genes differentially expressed during interaction with soybean was identified, including genes with potential effector functions annotated as hypothetical proteins, as well as genes associated with motility, metabolism, and cuticle structure, such as myosin head, twitchin, cytoplasmic intermediate filament protein, trans-1,2-dihydroxybenzene-1,2-diol dehydrogenase-like, cuticlin-1, and collagen. Among the genes unique to the A. besseyi complex, many lacked functional annotations or contained unknown domains, highlighting the largely unexplored nature of the genome of this group. The annotated genes included domains associated with transcriptional regulation, metabolism, and cellular interaction, such as BTB/POZ, protein kinase, homeodomain, zinc finger, glycoside hydrolase, and major sperm protein. Effector prediction also revealed hypothetical proteins, as well as some with putative functions, such as trehalase and metalloendopeptidase. In conclusion, this study provides novel insights into the interaction between A. pseudobesseyi and soybean, revealing host transcriptional reprogramming and potential effector candidates of the nematode. These findings contribute to a better understanding of the molecular basis of the disease and lay the groundwork for future functional studies aimed at developing sustainable management strategies. Keywords: effectors; foliar nematode; green stem and foliar retention syndrome; histopatology; rna-seq

Aphelenchoides pseudobesseyi é considerado um dos nematoides fitoparasitas mais nocivos que afetam as culturas de soja na região centro-norte do Brasil. Plantas infectadas comumente apresentam necrose apical, lesões angulares nas folhas, enrolamento foliar e uma coloração verde-escura característica do tecido, indicativa de um fenótipo "stay-green" caracterizado por senescência tardia. Esses sintomas comprometem severamente o desenvolvimento da planta e dificultam a colheita mecanizada, ressaltando a importância agronômica desse patógeno. No entanto, as informações disponíveis sobre sua interação com a soja, bem como sobre os genes e efetores envolvidos nesse processo, ainda são limitadas ou até mesmo desconhecidas. Portanto, os objetivos deste estudo foram: (i) determinar se A. pseudobesseyi migra sistemicamente das raízes para as partes aéreas da soja e caracterizar os danos celulares associados, (ii) caracterizar o perfil transcricional de plantas de soja infectadas por A. pseudobesseyi, e (iii) identificar e anotar genes e efetores específicos de A. pseudobesseyi envolvidos em sua interação com a soja, bem como explorar genes e efetores exclusivos do complexo A. besseyi. As análises histopatológicas indicaram que A. pseudobesseyi migra externamente ao longo da planta, uma vez que nenhum nematoide foi observado nos tecidos analisados (raízes, epicótilo e hipocótilo), nem foram detectadas alterações celulares associadas à sua presença. A análise transcricional da planta hospedeira revelou a indução de vias de defesa e a repressão de processos relacionados à fotossíntese e ao crescimento celular. Foram observadas alterações na expressão de genes-chave relacionados à degradação da clorofila e ao transporte de carboidratos, incluindo membros da família “stay-green” (D1, D2, SGR3a, SGR3b e duas isoformas de SGRL: SGRL1 e SGRL2), bem como a red chlorophyll catabolite reductase (RCCR), duas isoformas de pheophytinase (PPH1 e PPH2) e sucrose-phosphate synthase 2 (SPS2). Esses resultados indicam que a infecção por A. pseudobesseyi compromete o fluxo de assimilados devido à alimentação do nematoide e interfere nos mecanismos de senescência, o que pode contribuir para a manifestação do fenótipo “stay-green” em plantas infectadas. Com relação ao nematoide, foi identificado um conjunto de genes diferencialmente expressos durante a interação com a soja, incluindo genes com potenciais funções de efetores anotados como proteínas hipotéticas, bem como genes associados à motilidade, metabolismo e estrutura da cutícula, como myosin head, twitchin, cytoplasmic intermediate filament protein, trans-1,2-dihydroxybenzene-1,2- diol dehydrogenase-like, cuticlin-1 e collagen. Entre os genes exclusivos do complexo A. besseyi, muitos não possuíam anotação funcional ou apresentavam domínios desconhecidos, evidenciando o caráter amplamente inexplorado do genoma desse grupo. Os genes anotados incluíram domínios associados à regulação transcricional, metabolismo e interação celular, como BTB/POZ, protein kinase, homeodomain, zinc finger, glycoside hydrolase e major sperm protein. A predição de efetores também revelou proteínas hipotéticas, além de algumas com funções putativas, como trealase e metaloendopeptidase. Em conclusão, este estudo fornece novos insights sobre a interação entre A. pseudobesseyi e a soja, revelando a reprogramação transcricional do hospedeiro e potenciais candidatos a efetores do nematoide. Esses achados contribuem para uma melhor compreensão da base molecular da doença e estabelecem as bases para futuros estudos funcionais voltados ao desenvolvimento de estratégias de manejo sustentável. Palavras-chave: efetores; nematoide foliar; síndrome da haste verde e retenção foliar; histopatologia; rna-seq