Polyamines levels increase in smut teliospores after contact with sugarcane glycoproteins as a plant defensive mechanism

Abstract

Previous studies have already highlighted the correlation between Sporisorium scitamineum pathogenicity and sugarcane polyamine accumulation. It was shown that high infectivity correlates with an increase in the amount of spermidine, spermine and cadaverine conjugated to phenols in the sensitive cultivars whereas resistant plants mainly produce free putrescine. However, these previous studies did not clarify the role of these polyamides in the disorders caused to the plant. Therefore, the purpose of this research is to clarify the effect of polyamines on the development of smut disease. In this paper, commercial polyamines were firstly assayed on smut teliospores germination. Secondly, effects were correlated to changes in endogenous polyamines after contact with defense sugarcane glycoproteins. Low concentrations of spermidine significantly activated teliospore germination, while putrescine had no activating effect on germination. Interestingly, it was observed that the diamine caused nuclear decondensation and breakage of the teliospore cell wall whereas the treatment of teliospores with spermidine did not induce nuclear decondensation or cell wall breakdown. Moreover, the number of polymerized microtubules increased in the presence of 7.5 mM spermidine but it decreased with putrescine which indicates that polyamines effects on Sporisorium scitamineum teliospore germination could be mediated through microtubules interaction. An increased production of polyamines in smut teliospores has been related to sugarcane resistance to the disease. Teliospores incubation with high molecular mass glycoproteins (HMMG) from the uninoculated resistant variety of sugarcane, Mayari 55-14, caused an increase of the insoluble fraction of putrescine, spermidine and spermine inside the teliospore cells. Moreover, the level of the soluble fraction of spermidine (S fraction) increased inside teliospores and the excess was released to the medium. The HMMG glycoproteins purified from Mayarí 55-14 plants previously inoculated with the pathogen significantly increased the levels of both retained and secreted soluble putrescine and spermidine. Polyamines levels did not increase in teliospores after incubation with HMMG produced by non resistant variety Barbados 42231 which could be related to the incapacity of these plants to defend themselves against smut disease. Thus, a hypothesis about the role of polyamines in sugarcane-smut interaction is explained.Estudios previos destacaron la correlación entre la patogenicidad de Sporisorium scitamineum y la acumulación de poliaminas en caña de azúcar. El propósito de esta investigación es aclarar el efecto de las poliaminas en el desarrollo de la enfermedad del carbón. Se ha estudiado primero el efecto de poliaminas comerciales sobre la germinación de teliosporas del carbón. En segundo lugar, estos efectos se correlacionaron con los cambios en el nivel de poliaminas endógenas tras el contacto de las teliosporas con glicoproteínas de defensa de la caña de azúcar. Concentraciones bajas de espermidina activaron la germinación de la teliospora, mientras que la putrescina no tuvo ningún efecto activador. Curiosamente, se observó que la diamina causó descondensación nuclear y rotura de la pared celular de la teliospora, mientras que el tratamiento con espermidina no indujo descondensación nuclear ni ruptura de la pared celular. Además, el número de microtúbulos polimerizados aumentó en presencia de 7.5 mM espermidina pero disminuyó con putrescina lo que indica que los efectos de las poliaminas sobre la germinación de teliosporas de S. scitamineum podrían mediar a través de la interacción de los microtúbulos. Un aumento de la producción de poliaminas en las teliosporas del carbón se ha relacionado con la resistencia de la caña de azúcar a la enfermedad. La incubación de teliosporas con glicoproteínas de alta masa molecular (HMMG) de la variedad de caña de azúcar resistente no inoculada, Mayari 55-14, causó un aumento de la fracción insoluble de putrescina, espermidina y espermina dentro de la teliospora. Además, el nivel de la fracción soluble de la espermidina (fracción S) incrementó dentro de las teliosporas y el exceso fue liberado a las medio. Las glicoproteínas HMMG aumentó de manera significativa los niveles de putrescina y espermidina solubles, tanto retenidas como segregadas. Los niveles de poliaminas no aumentaron en teliosporas después de la incubación con HMMG producidas por la variedad no resistente Barbados 42231, lo que podría estar relacionado con la incapacidad de estas plantas para defenderse contra la enfermedad. Por lo tanto, se expone una hipótesis sobre el papel de las poliaminas en la interacción entre la caña de azúcar y el patógeno.