Abstract :
[en] Streptomyces scabiei (syn. Streptomyces scabies) is a phytopathogenic Gram-positive bacterium known as the causative agent of common scab disease. This microorganism causes, together with about 20 other species in the Streptomyces genus, skin lesions affecting tuber crops and mainly reducing the marketability of potatoes. S. scabiei 87-22 is considered the model strain for the study of virulence-associated mechanisms and has been used to highlight the regulatory network governing the biosynthesis of its main pathogenicity determinant, thaxtomin A. This phytotoxin – acting as an inhibitor of cellulose biosynthesis – is shared by most common scab causing streptomycetes and is the only virulence factor considered to be essential for their success in host colonization. Cellulose oligosaccharides (cello-oligosaccharides) have been shown to be the elicitors of thaxtomin production and, by extension, the triggers of the pathogenic lifestyle. In this work, we reveal the wide effects of these oligosaccharides as inducers of additional genes and specialized metabolites which have thereby been attributed to the so-called ‘virulome’ of S. scabiei. We also provide the first comprehensive and manually curated genome mining analysis of a pathogenic Streptomyces strain, revealing its impressive potential for the biosynthesis of specialized metabolites. Concomitantly to cello-oligosaccharides import, S. scabiei activates a central gene encoding the β-glucosidase BglC involved in the control of the pool of thaxtomin elicitors, and the scopolin phytoalexin which appears to be meaningful in the feedback control of thaxtomin production. However, the loss of this gene leads to major physiological modifications and unexpected phenotypes which indicate yet unknown functions. Studying the adaptations of the bglC null mutant revealed an intriguing phenomenon of genetic compensation causing the transcriptional activation of two other genes, namely bcpE1 and bcpE2. These genes encode two other β-glucosidases which fulfill distinct roles to functionally replace BglC, i.e., BcpE1 is similarly active on cello-oligosaccharides, and BcpE2 hydrolyzes a wide range of plant heterosides including the scopolin phytoalexin. Finally, we provide the first reported characterization of the amylolytic system of S. scabiei which was a surprisingly overlooked aspect for a bacterium that colonizes plant storage organs. We have investigated its ability to consume starch and related carbohydrates to find that maltose was poorly utilized by S. scabiei. This unexpected phenotype was attributed to a strong repressive control mediated by the MalR transcriptional regulator which was also shown to be involved in the maltose-dependent control of the secreted amylase enzymes. Overall, the present work provides insights into the understanding of i) the diversity of the virulome of S. scabiei, ii) the molecular mechanisms associated with the multiple roles of bglC/BglC, and iii) the primary metabolism dedicated to the utilization of the most abundant storage carbohydrates of tuber hosts.
[fr] Streptomyces scabiei (syn. Streptomyces scabies) est une bactérie Gram-positive phytopathogène bien connue comme étant l’agent responsable de la gale commune. Aux côtés d’autres espèces du genre Streptomyces, ce microorganisme cause la formation de lésions superficielles qui affectent les plantes tubéreuses et en particulier la pomme de terre dont la valeur marchande se voit réduite. Considérée comme modèle pour l’étude des mécanismes de virulence, la souche 87-22 de S. scabiei a notamment permis de mettre en évidence la cascade de signalisation menant à la biosynthèse de la thaxtomine A. Cette phytotoxine, qui agit comme inhibiteur de la biosynthèse de cellulose, est considérée comme le déterminant majeur de la pathogénicité. Il s’agit également du seul facteur de virulence dont la présence est essentielle pour assurer la colonisation des hôtes. Les oligosaccharides de cellulose, ou cello-oligosaccharides, sont les éliciteurs requis pour la production de thaxtomine et donc, par extension, pour le développement du mode de vie pathogène. Ce travail nous a permis de révéler l’étendue du rôle des cello-oligosaccharides qui permettent l’induction de nombreux gènes et la production de métabolites spécialisés qui ont dès lors été attribués au « virulome » de S. scabiei. De plus, nous proposons la première analyse approfondie du potentiel biosynthétique au sein du génome d’un Streptomyces phytopathogène, démontrant l’impressionnant potentiel du métabolisme spécialisé de S. scabiei 87-22. Simultanément à l’import des cello-oligosaccharides, un gène essentiel codant pour la β-glucosidase BglC est activé pour contrôler l’abondance des éliciteurs de la thaxtomine. BglC est également capable d’hydrolyser la scopoline qui pourrait jouer un rôle majeur dans le rétrocontrôle de la production de thaxtomine. La perte de ce gène cause des changements physiologiques inattendus et entraîne un étonnant phénomène de compensation génétique. L’étude de ce dernier a permis de révéler l’activation transcriptionnelle de deux gènes, bcpE1 et bcpE2, qui codent chacun pour des β-glucosidases aux fonctions bien distinctes. BcpE1 a la capacité de remplacer BglC pour l’hydrolyse des cello-oligosaccharides, tandis que BcpE2 clive de nombreux hétérosides originaires des plantes dont la scopoline. Enfin, nous nous sommes intéressés au système amylolytique de S. scabiei qui avait été, jusqu’ici, étonnamment négligé malgré son importance suspectée dans la colonisation des plantes tubéreuses. Nous avons notamment découvert que S. scabiei consomme très mal le maltose alors qu’il utilise assez bien les autres sources de carbone provenant de l’amidon. Ce phénotype a pu être attribué au répresseur MalR qui exerce un contrôle très fort sur le système de consommation de maltose, et qui intervient également dans la production d’amylases en fonction de la concentration en maltose. D’un point de vue global, ce travail amène des avancées au sujet de la compréhension du mode de vie de S. scabiei, à savoir (i) la diversité de son virulome, (ii) les mécanismes moléculaires en lien avec les différents rôles joués par bglC/BglC et (iii) son métabolisme primaire dédié à la consommation de la source de carbone la plus abondante trouvée chez ses hôtes.
