Main metabolic differences between hemibiotrophic plant pathogens Phytophthora infestans and Phytophthora betacei during infection in different hosts

Abstract

The genus Phytophthora includes species of pathogens with the ability to infect a wide range of hosts. The most studied species in the clade is Phytophthora infestans. This oomycete is the causal agent of the late blight, a potentially devastating plant disease of tomato (Solanum lycopersicum) and potato (Solanum tuberosum), infecting leaves, stems and fruits of the plant. The new late blight outbreak found in tree tomato, Solanum betaceum, warned researchers about a new species capable of infecting solanaceous crops. Molecular studies and several infection tests allowed Phytophthora betacei to be identified as a new species. This new report generated questions about the differences between both plant pathogens, in order to identify the main differences between them regarding the host preference and the duration of their life cycle inside the host. One possible explanation might reside on the metabolism. Metabolic dissimilarities could be linked to metabolic pathways related with the generation of pathogenicity and/or virulence factors in a particular host. In the present study, genome-scale metabolic models (GSMMs) were obtained to identify the unique and shared metabolism between these two species, P. infestans and P. betacei. A total of 930 shared reactions were identified between the two metabolic models. Purine, pyrimidine and fatty acid biosynthesis were found as most represented pathways in the amount of reactions related with the biosynthesis of pathogenicity precursors. Concerning the unique features of the metabolism, N-Glycan biosynthesis was the most represented in P. betacei compared to P. infestans, and flavonoid biosynthesis was the most represented in P. infestans compared to P. betacei. Finally, context-specific models (CSMs) were obtained to identify the main metabolic differences between both oomycetes in different days post inoculation.

El género Phytophthora incluye especies de patógenos con la capacidad de infectar una amplia gama de huéspedes. La especie más estudiada del clado es Phytophthora infestans. Este oomiceto es el agente causal del tizón tardío, una enfermedad vegetal potencialmente devastadora del tomate (Solanum lycopersicum) y la papa (Solanum tuberosum), que infecta hojas, tallos y frutos de la planta. El nuevo brote de tizón tardío encontrado en tomate de árbol, Solanum betaceum, advirtió a los investigadores sobre una nueva especie capaz de infectar cultivos de solanáceas. Los estudios moleculares y varias pruebas de infección permitieron identificar a Phytophthora betacei como una nueva especie. Este nuevo informe generó interrogantes sobre las diferencias entre ambos patógenos vegetales, con el fin de identificar las principales diferencias entre ellos en cuanto a la preferencia de hospedador y la duración de su ciclo de vida dentro del hospedador. Una posible explicación podría residir en el metabolismo. Las diferencias metabólicas podrían estar relacionadas con rutas metabólicas relacionadas con la generación de factores de patogenicidad y / o virulencia en un huésped en particular. En el presente estudio, se obtuvieron modelos metabólicos a escala genómica (GSMM) para identificar el metabolismo único y compartido entre estas dos especies, P. infestans y P. betacei. Se identificaron un total de 930 reacciones compartidas entre los dos modelos metabólicos. La biosíntesis de purina, pirimidina y ácidos grasos se encontró como las vías más representadas en la cantidad de reacciones relacionadas con la biosíntesis de precursores de patogenicidad. Con respecto a las características únicas del metabolismo, la biosíntesis de N-glicanos fue la más representada en P. betacei en comparación con P. infestans, y la biosíntesis de flavonoides fue la más representada en P. infestans en comparación con P. betacei. Finalmente, se obtuvieron modelos específicos de contexto (CSMs) para identif