Abstract:
Der Reisbrandpilz Magnaporthe oryzae (hemibiotrophischer Pilz) ist der Erreger der verheerenden Reisbrandkrankheit, die einen jährlichen Ertragsverlust verursacht, der ausreichen würde, um 60 Millionen Menschen zu ernähren. Die Infektion beginnt mit der Anheftung von Konidiensporen an die Blattoberfläche, woraufhin eine spezialisierte Struktur gebildet wird, die Appressorium genannt wird, um in die Blattkutikula einzudringen. Nach der Penetration entwickeln sich invasive Hyphen, um in der biotrophen Phase Effektoren (proteinartige und nicht-proteinische Moleküle) zu sezernieren und abzugeben, welche die Abwehrsignale des Wirts umprogrammieren, um die Proliferation des Reisbrandpilzes in der Wirtspflanze zu erleichtern, während sekundäre Pilzmetaboliten (wie Polyketide) im nekrotrophen Stadium produziert werden, um den Wirt zu töten und sich vom toten Gewebe zu ernähren. ... mehrAls Reaktion auf einen solchen Angriff rekrutieren die Wirtspflanzen Abwehrphytohormone (wie Jasmonsäure und Salicylsäure usw.), die eine zentrale Rolle bei der Immunantwort von Pflanzen spielen. Es gibt jedoch eine evolutionär konservierte Wechselwirkung zwischen den beiden Abwehrphytohormonen, um die Abwehrreaktionen der Pflanzen exakt abzustimmen. Diese Wechselwirkung kann durch Pflanzenpathogene leicht manipuliert werden, um eine erfolgreiche Kolonisierung in der Wirtspflanze zu erreichen.
In dieser Studie wurde ein isoliertes Polyketid-Phytotoxin, Pyriculol, das durch den Reisbrandpilz produziert wird, verwendet, um seine Funktion im Infektionsprozess zu bewerten. In den Ergebnissen wurde erstens gezeigt, dass Pyriculol lichtabhängige nekrotische Läsionen induzieren kann und die durch Pyriculol induzierte Nekrosefläche durch Behandlung mit Salicylsäure und Diphenylen-Iodoniumchlorid reduziert werden konnte.
Zweitens konnten sowohl Pyriculol als auch Salicylsäure die Expression von verletzungsinduzierten Jasmonsäure-Biosynthese- und Signalgenen im frühen Verwundungsstadium hemmen (0,5 h und 1 h nach der Verwundung), konnten aber die Expression von auf Salicylsäure reagierenden Genen hochregulieren. Bei der späten Verwundungsreaktion (24 h nach der Verwundung) konnten sowohl Pyriculol als auch Salicylsäure entweder die Expression des Pflanzenabwehrgens induzieren oder die durch Verletzung verursachte Akkumulation von Abwehrgenen verstärken. Im Zusammenhang mit der strukturellen Ähnlichkeit zwischen Salicylsäure und Pyriculol führte dies zu der Schlussfolgerung, dass Pyriculol als Mimikry von Salicylsäure fungieren könnte, um die Jasmonsäure-abhängige Genexpression herabzuregulieren. Da von Jasmonsäure berichtet wurde, dass sie ein wichtiges Abwehrhormon gegen den Reisbrandpilz ist, wurde angenommen, dass Pyriculol durch den Reisbrandpilz manipuliert werden könnte, um die Lebensfähigkeit im Wirt zu erhöhen.
Jedoch führte die exogene Anwendung von Pyriculol und seines Strukturisomers Pyriculariol in Kombination mit den Sporen des Reisbrandpilzstammes Gy11 (virulenter Stamm) auf Reis zu einer erhöhten Resistenz im Vergleich zu den Reispflanzen mit ausschließlicher Gy11-Inokulation. Zusätzlich wurde gezeigt, dass Pyriculol die Gy11-Sporenkeimung hemmt, wenn die angewendete Konzentration über 160 µM lag. Zusammengefasst widersprach dies der Annahme, dass Pyriculol zur Verbesserung der Fitness des Pathogens eingesetzt wurde. Es gab jedoch immer noch keinen Beweis dafür, dass Pyriculol in den infizierten Pflanzen durch den Reisbrandpilz produziert wurde.
Die Inokulation mit Pyriculol-verwandten transgenen Stämmen (Pyriculoldeletionsstämme, Pyriculol-überproduzierende Stämme und Wildtypstämme, basierend auf dem virulenten Stamm 70-15) von 8 Reissorten ergab, dass es keinen signifikanten Unterschied in Bezug auf die Virulenz unter diesen transgenen Stämmen gab, mit Ausnahme von zwei negativen Transkriptionsfaktor-Knockout-Stämmen (Pyriculol ist möglicherweise nicht die einzige Substanz, die von der Deletion des Transkriptionsfaktors betroffen ist). Dieses Experiment legte nahe, dass Pyriculol nicht an dem Infektionsprozess des Reisbrandpilzes beteiligt war.
Zusammengefasst war Pyriculol-induzierte Nekrose lichtabhängig und diese Nekrose konnte durch die Anwendung von Salicylsäure und Diphenylen-Iodoniumchlorid inhibiert werden. Zweitens könnten sowohl Salicylsäure als auch Pyriculol die Expression von Jasmonsäure-Biosynthese- und Signalgenen hemmen, könnten aber die auf Salicylsäure ansprechende Genexpression hochregulieren. Drittens waren SA und Jasmonsäure in Bezug auf die SA-Repressions-JA-Biosynthese und die Signalgenexpression im frühen Verwundungsstadium antagonistisch, aber synergistisch in der Induktion einer Verteidigungsgenexpression im späten Verwundungsstadium. Schließlich hemmte Pyriculol die Sporenkeimung und die exogene Anwendung von Pyriculol verbesserte die Abwehr von Reispflanzen gegen die Infektion mit Reis-Blastenpilz, aber Pyriculol war nicht an dem Infektionsprozess des Reis-Blastpilzes beteiligt.
Abstract (englisch):
Rice blast fungus, Magnaporthe oryzae (hemibiotrophic fungus) is the causal agent of the devastating rice blast disease on rice, causing annual yield loss sufficient to feed 60 million people. It starts infection by attaching conidia spores to leaf surface and then form a specialised structure called appressorium to penetrate leaf cuticle. After penetration, invasive hyphae develop to secrete and deliver effectors (proteinaceous and non-proteinaceous molecules) in the biotrophic stage to reprogram the host’s defence signaling to facilitate rice blast fungus proliferation in the host plant, while fungal secondary metabolites (such as polyketides) are produced in the necrotrophic stage to kill the host and to feed on the dead tissue. ... mehrIn response to such attack, the host plants recruit defence phytohormones (such as jasmonic acid and salicylic acid etc.) which play central role in plants’ immune responses. However, there exists evolutionarily conserved crosstalk between the two defence phytohormones to fine tune the output of plant defence responses. This crosstalk can be easily manipulated by plant pathogens in order to achieve a successful colonisation in the host plant.
In this study, an isolated polyketide phytotoxin, pyriculol, produced by rice blast fungus was used to evaluate its function in the infection process. In the results, firstly, it was shown that pyriculol could induce necrotic lesions in a light-dependent manner and the necrosis area induced by pyriculol could be reduced by salicylic acid and diphenylene-iodonium chloride treatment.
Secondly, both pyriculol and salicylic acid could inhibit the expression of wounding-induced jasmonic acid biosynthesis and signaling genes in the early wounding stage (0.5 h and 1 h after wounding treatment), but could up-regulate the expression of salicylic acid-responsive genes. In the late wounding response (24 h after wounding treatment), both pyriculol and salicylic acid could either induce plant defence gene expression or enhance wounding-induced defence gene accumulation. Combining with the structural similarity between salicylic acid and pyriculol, this lead to the conclusion that pyriculol might function as mimicry of salicylic acid to down-regulate jasmonic acid-dependent gene expression. Since jasmonic acid was reported to be an important defence hormone against rice blast fungus, it was assumed that pyriculol might be manipulated by rice blast fungus to increase the fitness to live in the host.
However, exogenous application of pyriculol and its structural isomer pyriculariol in combination with the spores of rice blast fungus strain Gy11 (virulent strain) on rice resulted in enhanced resistance as compared to the rice plants with only Gy11 inoculation. In addition to this, pyriculol was shown to inhibit Gy11 spore germination when the applied concentration was above 160 μM. Taken together, this was inconsistent with the assumption that pyriculol was utilised to improve pathogens’ fitness. Yet, there was still lack of evidence that pyriculol was produced in the infected plants by rice blast fungus.
Inoculation using pyriculol-related transgenic strains (pyriculol-deletion strains, pyriculol-overproducing strains and wild type strains, based on the virulent strain 70-15) on 8 rice varieties revealed that there was no significant difference in terms of the virulence among these transgenic strains, except two negative transcription factor knock-out strains (pyriculol might not be the only substance affected by the transcription factor deletion). This experiment suggested that pyriculol was not involved in the infection process of rice blast fungus.
To sum up, pyriculol-induced necrosis was light-dependent and this necrosis could be inhibited by application of salicylic acid and diphenylene-iodonium chloride. Secondly, both salicylic acid and pyriculol could inhibit the expression of jasmonic acid biosynthesis and signaling genes, but could up-regulate salicylic acid responsive gene expression. Thirdly, SA and jasmonic acid was antagonistic in terms of SA’s repression JA biosynthesis and signaling gene expression at the early wounding stage, but synergistic in induction of some defense gene expression at the late wounding stage. Lastly, pyriculol inhibited spore germination and exogenous application of pyriculol enhanced rice plant defence against rice blast fungus infection, but pyriculol was not involved in the infection process of rice blast fungus.
